Импульсный параметрический стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1980 года по МПК G05F3/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в целях питания различной радиотехнической аппаратуры. Известны импульсные параметрические стаби лизаторы постоянного напряжения 1 и 2. Первое из известных устройств 1 содержит ключевой транзистор, сглаживающий LC-фильтр на линейном дросселе и конденсаторе, коммутирующий диод, насьщ1ающийся трансформатор и источник опорного напряжения. Одним из недос татков устройства является повыщенные потери злектроэнергии в силовой цепи из-за введения в нее элементов схемы управления (обмотки насьвдающегося трансформатора). Второе из известных устройств 2, являюще еся наиболее близким техническим решением к данному изобретению содержит ключевой транзистор, включенный между входной клеммой и дросселем LCD-фильтра, конденсатор которого подключен параллельно выходным клеммам, насыщающийся трансформатор, первичная обмотка которого одним выводом подключена к коллектору ключевого транзистора, другим выводом- к общей ишне, а вторичная обмотка однр1м выводом соединена с базой ключевого транзистора, другим вьгаодом через резистор с эмиттером этого транзистора и входной клеммой. Недостатком данного устройства при питании от источника ограниченной мощности являются больщие масса и габариты сглаживающего фильтра. Действительно, индуктивность дросселя и емкость конденсатора фильтра выбирается из расчета обеспечения допустимой величины амплитуды пульсаций выходного напряжения при наибольшей длительности разомкнутого состояния ключевого транзистора, т.е. при минимальной мощности нагрузки и максимальном напряжении питания. По мере увеличения мощности нагрузки возрастает длительность разомкнутого состояния ключевого транзистора, в результате чего амплитуда пульсаций уменьшается. Таким образом, при снижении напряжения питания, а также при работе стабилизатора на нагрузку, моща ность которой превьццает минимальную, индуктивность дроссепя и емкость конденсатора фильтра остаются недоиспользованными, а их масса и габариты являются завышенными. Целью изобретения является уменьшение массогабаритных показателей. Поставленная цель достигается тем, что импульсный параметрический стабилизатор постоЬнного напряжения снабжен датчиком амплитуду пульсаций, выпрямителем,, генератором линейного нарастающего напряжения, сравниваю,щим элементом, разрядным ключом, двумя даодами, трансформатором, обратным диодом, дополнительной обмоткой дросселя LCD-фильтра, и ограничительным резистором, причем датчик амплитуды пульсаций подключен входом к выходным клеммам, а выходом через выпря митель - ко входу генератора линейно нарастающего напряжения, выход которого через первичную обмотку трансформатора, шунтированную обратным диодом, соединен с силовым электродами разрядного ключа, через сравнивающий элемент -- с управляющим электродом этого ключа, а через ограничительный резистор с одним выводом дополнительной обмотки дросселя, другой вывод которой через первый диод подключе) к управляющему электроду разрядаого ключа, при этом один вывод вторичной обмотки трансформатора через второй диод подключен к базе ключевого тран зистора, а другой Ёывод - к другому вьшоду вторичной обмотки насыщающегося трансформатора. Принципиальная электрическая схема стаби;шзатора представлена на чертеже. Стабилизатор содержит ключевой транзистор 1 коммутирующий диод 2 LCD-фильтра, насыщающийся трансформатор 3 с магнитопроводом из материала с прямоугольной петлей гистерезиса и д.вумя обмотками: первичной 4 и вторичной 5, источник опорного напряжения, образованный фильтрующим конденсатором 6 и стабилитроном 7, сглаж-ивающий LCD-фильтр на конденсаторе 8 и линейном дросселе с обмоткой 9 и дополнительной обмоткой 10, .датчик пульсаций 11 состоящий из конденсатора 12 и трансформатора 13, выпрямитель 14 сглаживаюп1ий конденсатор 15, генератор линейно нарастающего напряжения 16, образованный , например, конденсатором 17 и резистором 18, сравнивающий элемент стабилитрон 19, разрядный ключ - тиристор 2 трансформатор 21 с первичной обмоткой. 22 и вторичной 23, обратный диод 24, первый диод 25, резистор 26 и второй диод 27. Устройство работает следующим образом. В момент подачи входного напряжения за счет токов утечки транзистора I создается некоторое напряжение на обмотке 4 трансфор матора 3. Напряжением на вторичной обмотке 5 транзистор 1 лавинообразно открывается и 4 удерживается в замкнутом состоянии. Через транзистор 1 и обмотку 9 дросселя протекает нарастающий по величине ток. На выходе устройства появляется напряже тое. Магнитопровод трансформатора 3 под действием приложенного к обмотке 4 напряжения начинает перемагничиваться. Выходное напряжение поступает на вход датчика пульсаций 11. Выделенное конденсатором 12 переменное напряжение повышается трансформатором 13, выпрямляется вьшрямителем 14, сглаживается конденсатором 15 и поступает на вход генератора линейно нарастающего напряжения 16. Напряжение на выходе генератора 16 - конденсаторе 17 нарастает практически линейно во времени. После достижения этим напряжением уровня пробоя Ц, стабилитрона образуется цепь; положительная обкладка конденсатора 17 - стабилитрон 19 - управляющий переход тиристора 20 отрицательная обкладка конденсатора 17. Тиристор 20 открывается. Конденсатор 17 начинает разряжаться по цепи: положительная обкладка 17 - обмотка 22 трансформатора 21 - тиристор 20 - отрицательная обкладка конденсатора 17. Напряжение конденсатора прикладывается к обмотке 22. Импульс напряжения положительной полярности, возникающий во вторичной обмотке 23, поступает через диод 27 к эмиттербазовому переходу транзистора 1 и закрывает его. Таким образом, время tj замкнутого состояния транзистора I определяется временем заряда конденсатора 17 до напряжения пробоя (стабилизации) Up, стабилитрона 19: t VVb СР где C..j, -- емкость конденсатора 17; г,- - сопротивление резистора 18; - величина среднего напряжения на входе генератора 6. Время tp разомкнутого состояния транзистора 1определяется временем перемагничивания магнитопровода трансформатора 3 в исходное состояние под действием напряжения Ugr, источника опорного напряжения. Это обеспечивается следующим образом. В момент закрытия транзистора 1 полярность ЭДС самоиндукции на обмотке 9 линейного дросселя изменяет :знак. Коммутирующий диод 2открывается. К обмотке 4 прикладывается напрявкение Upn , обеспечиваемое источником опорного напряжения, выполненным на конденсаторе 6 и стабилитроне 7. Ток иамагнишвания обмотки 4 протекает по цепи: поло:жительная обкладка конденсатора 6 обмотка 4 -. шюд 2 - отрицательная обкладка коняенсатора 6. 57 К эмиттер-базовой цепи транзистора 1 приклады вается напряжение, переводящее транзистор 1 в режим глубокой отсечки. Магнитопровод трансформатора 3 перемягничивается в исходное состояние. Конденсатор 17 разряжается до нулевого напряжения через тиристор 20, пребывающий в замкнутом состоянии в течение времени разомкнутого состояния транзистора 1. Замкнутое состояние тиристора 20 в течение времени tp обеспечивается током, протекаюшим по цепи: дополнительная обмотка 10 линейного дросселя-диод 25-6граничительный резистор 26обмотка 10, и возникающим в момент изменения полярности на обмотках дросселя при закры тии транзистора 1. При достижении магнитопроводом исходного насыщенного состояния, напряжение на первичной 4, а значит и на вторичной 5 обмотках трансформатора 3 падает практически до нуля. Транзистор 1 приоткрывается. За счет токов утечки на обмотках 4 и 5 появляется напряжение и транзистор 1 лавинообразно открывается. Ток, проходяций через обмотку 9 дросселя, увеличивается. Полярность ЭДС самоиндукции на дросселе меняет знак. Диод 25 за1ци1цает уг1равляющий электрод тиристора 20 от отрицательного потенциала при изменении полярности на обмотке 10. Тиристор 20 закрывается. Возникающее при JTOM перенапряжение на обмотке 22 устраняется за счет обратного диода 24. Диод 27 развязывает цепи обмоток 5 и 23. В момент начала роста тока в обмотке 9 дросселя и закрытия тиристора 20 конденсатор 17 генератора 16 начинает заряжаться. В дальнейщем процессы в устройстве повторяются. За время t. замкнутого состояния транзисто ра 1 индукция в магнитопроводе трансформатора 3 изменяется на величину Ч() где Ug - напряжение на входе устройства; S,W - площадь поперечного сечения магнитопровода и количество витков первичной обмотки трансформатора 3 соответственно. Подставляя в (2) выражение () получим: бх оп) ДВ-S-W Тогда время разомкнутого состояния транзис тора 1 u.b-s-w (.) р и on 94 Козффи1шент заполнении импульсною цикла 1Используя известное соотношение между входным и выходным напряжениями импульсного однотактного преобразователя понижающего типа, получим , т.е. выходное напряжение преобразователя не зависит от входного и по своей величине равно опорному. В то же время, устройство обеспечивает стабилизацию амплитуд пульсаций выходного напряжения на минимальном уровне. Постоянство амплитуды пульсаций достигается автоматически изменением частоты работы ключевого транзистора. Это осуществляется следующим образом. Предположим, что устройство работает на максимальную нагрузкуОфи минимальном вхот ном напряжении). Очевидно, что переменное напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора 13 датчика пульсаций и напряжение на выходе выпрямителя 14 будут обладать строго определенной величиной. Ей соответствует некоторое время t3 заряда конг денсатора 17 и замкнутого состояния транзистора 1. При снижении мощности нагрузки (увеличении входного напряжения) существует тенденция и увеличению пульсаций выходного напряжения. Напряжение на входе генератора 16 увеличивается, соответственно уменьщается время заряда ксшденсатора 17, время замкнутого и разомкнутого состоя 1ия транзистора 1. Частота щиротно-импульсного регулирования увеличивается и амплитуда пульсаций сохраняется практически неизменной с точностью ощибки регулирования. Так как амплитуда пульсаций стабилизируется на минимально возмо:жном уровне, свойственном для минимальной нагрузки (минимального напряжения), масса и габариты фильтра полу иются минимальными. Таким образом, изобретение позволяет достичь поставленной цели, т. с. уменьшить габариты и массу сглаживающего фильтра, что особенно важно в системах электроснабжения автономных объектов. Формула изобретения Импульсный параметрический стабилизатор постоянного напряжения,, содержащий ключевой транзистор, включенный входной

клеммой и дросселем LCD-фильтра, конценсатор которого Подключен параллельно выходным клеммам, насыщающийся трансформатор, первичная обмотка которого одним выводом подключена к коллектору ключевого транзистора, а другам выводом - к общей шине, а вторичная обмотка одним выводом соединена с базой ключевого транзистора, другим вьгоодом через резистор - с эмиттером этою транзистора и входной клеммой, отличающийся тем, что, с целью уменьщения массогабаритных показателей, он снабжен датчиком амплитуды пульсаций, вьшрямителем, генератором линейно нарастающего напряжения, сравнивающим элементом, разрядным ключом, двумя диодами, трансформатором, обратным диодом, дополнительной обмоткой дросселя LCD-фильтра и ограничительным резистором, причем датчик амплитуды пульсаций подключен входом к выходным клеммам,а выходом через вьтрямитель - ко входу генератора линейно нарастающего напряжения, выход которого через первичную обмотку трансформатора, щунтированную обратным диодом, соединен с силовыми электродами разрядного ключа, через сравнивающий элемент - с управляющим электродом этого ключа, а через ограничительный резистор с одним выводом дополнительной обмотки дросселя, другой вывод которой через первый диод подключен к управляющему электроду разрядного ключа, при этом один вывод вторичной обмотки трансформатора через второй диод подключен к базе ключевого транзистора, а другой вывод - к другому вьгеоду вторичной обмотки насыщающегося трансформатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР N 415649, кл. G 05 F 1/56, 1971.

2.Мак B.C. и Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М., Энергия, 1971, с. 295, рис.8-18а.