Стабилизированный источник постоянного напряжения Советский патент 1979 года по МПК H02M3/28 

1

Изобретение относится к области электротехнике и предназначено для использования во вторичных источниках электропитания ЦВМ и электроавтоматики.

Известен стабилизированный источник напряжения, в котором входное напряжение распределено между последовательно включенными преобразовательными ячейками, соединенными через выпрямитель и индуктивно-емкостной фильтр с выходными зажимами, причем все ячейки управляются синхронно от устройства управления с широтно-импульсным модулятором 1.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является стабилизированный источник постоянного напряжения, содержащий соединенные последовательно и подключенные к выходным выводам ;V преобразовательных ячеек постоянного напряжения в переменное, выход каждой из которых через соответствующий выпрямитель подключен к параллельно соединенным выходным выводам, конденсатору фильтра и входу управляющего блока, и М регулирующих элементов, вход, по меньшей мере, одного из которых соединен с выходом управляющего блока 2.

Недостатками известного устройства являются относительно большие габариты, недостаточно высокий КПД, большая динамическая нестабильность выходного напряжения источника.

Целью изобретения является уменьщение габаритов стабилизированного источника напряжения, повышение его КПД, уменьшение динамической нестабильности выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизированном источнике постоянного напряжения, содержащем соединенные последовательно и подключенные к выходным выводам jV иреобразовательных ячеек постоянного напряжения в переменное, выход каждой из которых через соответствующий выпрямитель подключен к параллельно соединенным выходным выводам, конденсатору фильтра п входу управляющего блока, и М регулирующих элементов, вход, по меньшей мере, одного из которых соединен с выходом управляющего блока, новым является то, что выход каждого из регулирующих элементов подключен параллельно питающей цепи или выходной цепи соответствующей из указанных преобразовательных ячеек, а вход L из числа регулирующих элементов соединен с выходом дополнительно введенного управляющего блока с L - позиционной релейной характеристики, входом соединенного с выходными выводами, прпчем общее количество регулирующих элементов М удовлетворяет условию , а число регулирующих элементов L - условию , где М, N, L - целые положительные числа, кроме того, параметры L ячеек выбраны так, чтобы напряже- 5 ния на них распределялись в соотношении 1:2:4... На фиг. 1 приведена структурная схема; фиг. 2 - принципиальная схема некоторых основных узлов стабилизированного источ- ю ника постоянного напряжения. Стабилизированный источник напряжения содержит нодключенные к входным выводам 1 и соединенные последовательно преобразовательиые ячейки 2-6, подклю- 15 ченные через выирямители 7 к выходным выводам 8 и конденсатору 9 фильтра. Ячейки 5, 6 шунтированы по входу регулирующими элементами 10, 11, управляемыми с помощыо дополнительно введенного управляю- 20 ш.его блока 12. Ячейки 2, 3 шунтированы по выходу регулирующими элементами, в состав которых входят дополнительные выпрямители 13 и ключевые элементы 14, 15, управляемые с помощью управляющего 25 блока 16. Коммутация ячеек 2, 3 осуществляется с помощью задающего генератора 17, который может быть .использован также и для коммутации ячеек 4-6. С помощью ячеек осуществляется преоб- 30 разование постоянного напряжения в переменное прямоугольной формы и согласование его с требуемым уровнем выходного напряжения. В состав ячеек входят транзисторы 18 и трансформатор 19, в частности, 35 включенные по мостовой схеме (фиг. 2). Диоды 20, 21 являются элементами одного из вынрямителей 7. Диоды 22 (и 21) относятся к одному из выпрямителей 13. Транзистор 23 выполняет роль элементов 14 или 40 15. Элементы 10, 11 также могут быть выполнены в виде отдельного транзистора. В процессе работы источника, независимо от изменения питающего напряжения, по- 45 даваемого на выводы 1, осуществляется непрерывное возбуждение транзисторов ячеек 2-6, для чего используются задающий генератор 17 или схемы самовозбуждения (например, генераторы ,по схеме Ройера), 50 которые могут входить в состав ячеек 4-6. В результате постоянное питающее напряжение преобразуется в переменное прямоугольной формы, которое через трансформатор (имеется -в каждой из ячеек 2-6) и вы-55 прямитель 7 подается на выходные выводы 8 источника. В режиме работы, когда элементы 10, II, 14, 15 находятся в отключенном состоянии, питающее напряжение распределяется меж-60 ду всеми ячейками 2-6. При этом, если коэффициенты трансформации всех трансформаторов ячеек выбрать одинаковыми, напряжение питания будет равномерно распределено между всеми ячейками и соответ- 65 ственно ток нагрузки будет равномерно распределен между всеми выпрямителями. Состояние элементов 10, И, 14, 15 определяется выходными сигналами управляюЩих блоков 12, 16, из которых блок 12 осуществляет слежение за величиной питающего напряжения, а блок 16 - за величиной выходного напряжения. Если из исходного состояния, когда элементы 10, И, 14, 15 были в отключенном состоянии, напряжение на выводах 1 начнет уменьшаться, одновременно будет уменьшаться и выходное напряжение источника. При некотором значении последнего, определяемом установкой блока 16, блок выдает сигнал на включение, например, элемента 14, который замкнет накоротко (через диоды выпрямителя 13) обмотку трансформатора ячейки 2, в результате чего напряжение на ней уменьшиться практически д нуля. Вследствие этого, питающее напряжение распределится только между оставшимися ячейками 3-6, напряжение на каждой из них станет больше, и следовательно, напряжение на выводах 8 вновь установится достаточно близким к номинальному значению. При дальнейшем уменьшении напряжепия на выводах 1 по сигналам блоков 16, 12 будут поочередно замыкаться элементы 15, затем-10 и 11. В результате при минималь ;ом напряжении питания последнее будет приложено только к ячейке 4, через которую (и через соответствующий выпрямитель 7) напряжение будет передаваться в цепь нагрузки -на выводы 8. Элементы 14, 15 могут переводиться в замкнутое состояние по соответствующим сигналам блока 16 также и ири увеличении тока нагрузки и неизменном напряжении иитания. В этом случае увеличение тока нагрузки вызывает соответствующее увеличение тока каждой ячейки и выпрямителя 7, падение напряжения на их внутреннем сопротивлении увеличивается и соответственно уменьшается напряжение на выводах 8, что вызывает переключение блока 16 и элементов 14, 15 и т. д. Конденсатор 9 служит для подавления высокочастотной импульсной составляющей в выходном напряжении источника. В предложенном источнике точность стабилизации выходного напряжения определяется отношением наименьшего из напряжении на входных выводах замыкаемых ячеек (2, 3, 5, 6) к напряжению питания - на выводах 1. Для повышения точности стабилизации необходимо увеличивать количество коммутируемых ячеек. Один и тот же диапазон регулирования напряжения может быть перекрыт минимальным количеством замыкаемых регулирующими элементами ячеек, если напряжение на каждой из последних выбрать исходя из соотношения

1 : 2 ; 4 .... Напряжение на ячейках задается путем соответствующего выбора соотношения витков первичных обмоток трансформаторов ячеек.

Действительно, пусть напряжение на ячейке 2 выбрано, равным 3% от напряжения на выводах 1, на ячейке 3-6%, на ячейке 5-12% и на ячейке 6-24%. При таком распределении напряжение на выводах 1 может изменяться на 40% (суммарное значение напряжений на всех ячейках), а напряжение на выводах 8 будет при этом изменяться не более, чем на 3%. Для достижения того же эффекта при равномерном распределении напряжений на замыкаемых ячейках понадобилось бы не менее 14 штук последних.

Точность стабилизации напряжения на выводах 8 можно существенно повысить, если один из регулируюших элементов (например, 14) выполнить работающим в линейном режиме. В этом случае целесообразно подключать такой элемент к ячейке с наименьшим напряжением на ее входных выводах, что позволяет свести к минимуму потери мощности, а все прочие регулирующие элементы (в частности, 15) включать к входным выводам соответствующей ячейки (аналогично 10, И), что позволяет упростить блок управления. Линейный режим работы элемента 14 достигается путем использования для его управления обычной схемы отрицательной обратной связи, применяемой в линейных стабилизаторах напряжения и подключаемой к выходным выводам 8.

В этом варианте широкий диапазон регулирования (или «Грубая стабилизация) выходного напряжения осуществляется с помощью ключевых элементов, которые работают описанным выше образом, а точная стабилизация, качество которой может быть получено не хуже, чем у линейного стабилизатора напряжения, осуществляется с помощью относительно маломощной цепи - с элементом 14.

В любом из рассмотренных вариантов стабилизированного источника достигается динамическая нестабильность его выходного напряжения (при быстром изменении напряжения питания или тока нагрузки), практически равная его статической нестабильности (при медленном изменении напряжения или тока в тех же пределах). Это достигается тем, что в данной схеме отсутствуют индуктивно-емкостные фильтры, являющиеся основной причиной большой динамической нестабильности выходного напряжения в указанном прототипе данного изобретения.

Поскольку в данном источнике отсутствует широтно-импульсная модуляция регулируемого напряжения, коммутационные потери мощности в нем относительно невелики - как известно, они определяются относительной длительностью процесса переключения и проводящего состояния коммутирующего элемента. Последнее в данном предложении максимально и равно длительности полупериода коммутации. Следовательно, КПД предложенного источника должен быть выще, чем прототипа.

Относительно малые иотери мощности и отсутствие энергоемкого ппдуктивно-емкостного фильтра позволяет уменьшить габариты данного источника.

В практических схемах предложенного источника количество ячеек 2-6 могут быть увеличено или уменьшено. Ячейки могут быть реализованы на основе мостового транзисторного инвертора с трансформатором в диагонали (фиг. 2). В этом случае функции элементов 10, 11 могут выполнять транзисторы моста 18 - если, например, путем особого построения блока управления обеспечить одновременное открытое состояние двух последовательно включенных транзисторов, то это будет эквивалентно замыканию всего места дополнительным ключевым элементом. При этом усложняется блок управления, но упрощается силовая часть источника.

Формула изобретения

1.Стабилизированный источник постоянного напряжения, содержащий соединенные последовательно и подключенные к входным выводам Л преобразовательных ячеек постоянного напряжения в переменное, выход каждой из которых через соответствующий выпрямитель подключен к параллельно соединенным выходным выводам, конденсатору фильтра и входу управляющего блока, и М регулирующих элементов, вход, по меньшей мере, одного из которых соединен с выходом управляющего блока, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, уменьшения габаритов источника и динамической нестабильности его выходного напряжения, выход каждого из регулирующих элементов подключен параллельно питающей цепи или выходной цепи, соответствующей из указанных преобразовательных ячеек, а вход L из числа регулирующих элементов соединен с выходом дополнительно введенного управляющего блока с L-позиционной релейной характеристикой, входом соединенного с входными выводами, причем общее количество регулирующих элементов М удовлетворяет условию , а число регулирующих элементов L - условию , где М, V, L - целые положительные числа.

2.Стабилизированный источник но п. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения, параметры L ячеек выбраны так, чтобы напряжения на них распределялись в соотношении 1:2:4 ...

7

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 3409818, кл. 321-2, 1968.

8

2. Устройства вторичных источников электропитания РЭА, МДНТП имени Ф.Э. Дзержинского, М., 1976, с. 56.

I -,., I -,,, К

2: 5