Ключевой стабилизатор напряжения постоян-НОгО TOKA Советский патент 1981 года по МПК G05F1/56 

(54) КЛЮЧЕВОЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, во вторичных источниках питания (ВИП-ах) портативных телевизионных приемников, подключаемых к сети или аккумуляторной батарее.

Известны стабилизированные источники питания, у которых регулирующий транзистор работает в режиме переключения последовательного или параллельного типа 1

Известен также ключевой стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий составной транзисторный ключ на транзисторах разной проводимости, /-СО-фильтр, дроссель которого имеет две изолированные равновитковьге силовые обмотки, включенный между выходом ключа и выходными выводами, модулятор - на базе одноемкостного мультивибратора с биполярными транзисторами и двухбазовым диодом, выход которого соединен с входом транзисторного ключа, балансный усилитель сигнала ошибки выходом подключенный через буферный каскад усиления к входу модулятора, а входами - к источнику опорного напряжения и резистивному делителю выходного напряжения 2.

Недостатком известного устройства является трудность переключения /.C фильтpa с одного типа стабилизации на другой (так, при питании от сети на входе стабилизатора имеются силовой трансформатор и выпрямитель и чтобы сильно не снижать КПД ВИП-а в целом, стабилизатор должен быть последовательного типа, а при работе от аккумуляторной батареи необходимо применять стабилизатор параллельного типа, так как напряжение батареи зачастую не соответствует требуемым величинам в схеме устройства), причем изменение схемы включения обмоток дросселя AGff-фильтр приводит к повыщению уровня излучения радиопомех, ибо эти обмотки находятся под импульсным потенциалом, создаваемым ключевым транзистором, а элемент коммутации должен располагаться вне стабилизатора (применение электромагнитного реле исключается при больщом диапазоне изменения входного напряжения, а пользование тумблером отражается на конструкции уст20ройства и условиях ее эксплуатации).

Цель изобретения - расщирение функциональных возможностей ключевого стабилизатора путем изменения схемы включения обмоток дросселя ЛСР-фильтра по параллельной или последовательной схеме без увеличения уровня излучаемых помех при сохранении высокого КПД ВИП-а в целом. Поставленная цель достигается тем, что дроссель АС -фильтра содержит две одинаковые изолированные одна от другой равновитковые силовые обмотки, между началами и концами которых включены два дополнительных выпрямительных диода, причем анод первого из них подключен к эмиттеру ключа, катод - к диоду ЛСО-фильтра, анод второго - к входу цепи коммутации, между которой и общей шиной установлен конденсатор фильтра, а катод - к основному выходу стабилизатора соответственно. На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого устройства. Силовым элементом составного транзисторного ключа является транзистор 1, а предусилитель сигналов его базовой цепи - транзистор 2. Эмиттер транзистора I соединен с началом обмотки 3 дросселя 4 (везде начала обмоток обозначены точкой) и анодом диода 5, катод которого подключен к диоду 6 / СВ-фильтра и началу обмотки 7. Конец обмотки 3 соединен с конденсатором 8 стоящим на входе цепи коммутации (клемма 9), а конец обмотки 7 подходит к конденсатору 10, установленному на выходе стабилизатора (клемма 11). LCD потенциометра 12 резистивного делителя часть выходного напряжения подается на один из входов балансного усилителя 13 сигнала ощибки, у которого второй вход соединен с источником опорного напряжения - стабилитроном 14. Между коллекторами транзисторов балансного усилителя подключен транзистор 15, выполняющий роль зарядного резистора для времязадающего конденсатора 16 автогенератора 17, собранного по схеме обычного одноемкостного мультивибратора, у которого в качестве разрядного элемента применен двухбазовый диод 18, а коммутирующим диодом служит участок база-эмиттер транзистора 19. База и коллектор этого транзистора соединены с положительной щиной источника питания резисторами 20 и 21 соответственно, а коллектор еще и с анодом разделительного диода 22, у которого катод соединен с базой транзисторов 23, 24, коллекторная цепь которых через диод 25 соединена с второй базой диода 18 и через резисторы с базой транзистора 2. Цепь коммутации (клемма 9) через диод 26 и резисторы 27, 28 соединена с базой транзистора 23 и коллектором транзистора 15 соответственно. Инвертором напряжения на клемме 9 является транзистор 29, коллектор которого через диод 30 соединен с общей точкой токоограничивающего резистора 31, эмиттера двухбазового диода 18 и конденсатора 16. Другой конец резистора 31 подключен к коллектору транзистора 15. Дополнительная обмотка 32 дросселя 4 подключена между коллектором транзистора 1 и эмиттером транзистора 2. Дополнительный диод 33 включен между входом цепи коммутации (клемма 9) и основным выходом стабилизатора (клемма 11) Стабилизатор работает следующим образом (первый вариант). Если между клеммой 9 и минусовой щиной источника питания установить перемычку (она может быть распаяна в колодке щнура питания от аккумулятора), то стабилизатор является ключом с параллельным подключением дросселя /СР-фильтра и нагрузки, а если перемычка отсутствует (в колодке щнура питания от сети), то последовательного типа (ключ, дроссель и нагрузка включены последовательно). После подачи питающего напряжения током резистора 20 участок ба а-эмиттер транзистора 19 смещается в прямом направлении, транзистор 19 открыт, а транзисторы 23, 24, 2, 1 - закрыты. Закрыт транзистор 29 (потенциал его базы равен 0) и обратно смещены диоды 30 и 25. Возможность открытия транзисторов 23, 24 током резистора 28 исключается щунтированием его на общую (минусовую) щину источника питания диодом 26 (по условию клемма 9 соединена перемычкой с минусовой щиной). Одновременно появляется напряжение на стабилитроне 14 и баланс усилителя 13 нарущается (так как напряжение на выходе стабилизатора еще отсутствует), открывается транзистор 15 и током резистора 31 заряжается конденсатор 16 через прямосмещенный переход база-эмиттер транзистора 19, потенциал эмиттера диода 18 повыщается и при достижении определенной величины пробивается переход эмиттер-база 1. Тогда заряженный конденсатор 16 оказывается подключенным между базой и эмиттером транзистора 19, он закрывается (минус на базе), и емкость 16 начинает перезаряжаться током резистора 20. Током резистора 21 открываются транзисторы 23, 24, за ними транзисторы 2 и 1. Фиксация потенциала базы 2 диода 18 на нулевом уровне благодаря открывающемуся диоду 25 способствует надежному открытию участка эмит тер-база двухбазового диода 18. Ток транзистора 1 по обмотке 3 намагничивает сердечник дросселя 4, в котором происходит накапливание энергии. Дополнительным напряжением обмотки 32 транзистор 1 открывается до насыщения, чем уменьшается рассеивание мощности на нем. Как только при перезарядке конденсатора 16 вновь открывается транзистор 19, транзисторы 23, 24, 2, 1 запираются, ;амозакрывается диод 18. Сердечник дросселя 4 размагничивается и ЭДС самоиндукции на обмотке 7 через диод 6 заряжает конденсатор 10 и запитывает нагрузку. Вновь начинает заряжаться конденсатор 16, и цикл повторяется. Как только напряжение на нагрузке достигнет заданного уровня, в системе устанавливается динамическое равновесие (чем больще напряжение на

нагрузке, тем ниже частота следования выходных импульсов с транзистора 1 и наоборот) . Во время работы диоды 5 и 33 закрыты ибо на катодах у них потенциалы более положительны, чем на анодах (на величину выходного напряжения). Ввиду того, что резистор 20 подключен к входу стабилизатора, то при изменении входного напряжения и тока нагрузки задающая часть работает как ШИМ-ЧИМ-модулятор, чем резко увеличивается динамический диапазон работы устройства (совместно изменяются длительность импульса и частота их следования).

Работа стабилизатора заключается в следующем (второй вариант).

Поскольку нет перемычки с клеммы 9 на минусовую щину, то ток транзистора 1 протекает через диод 5 по обмотке 7 дросселя 4, заряжая конденсатор 10 и намагничивая сердечник дросселя. При этом напряжение на клемме 9 примерно равно выходному напряжению на клемме 11 (действительно, 1/7 UBX-и ых при насыщенном транзисторе 1, 0 з по начальному условию, так как обмотки 3 и 7 равновитковые, UKA.S (L Bx-UB, UgbK, где Uj, UY - напряжение на обмотках 3 и 7 дросселя 4, UBX - входное напряжение на шинах « + и «-, Uftjrt - напряжение на выходе клемме 11, U.g- напряжение на входе цепи коммутации - клемме 9). Напряжение на клемме 9 дополнительно фильтруется конденсатором 8. Учитывая это, ясно, что запирается диод 26 и открывается транзистор 29, при этом эмиттер диода 18 через диод 30 и участок коллектор-эмиттер транзистора 29 соединяется с шиной «- (а значит и с базой 1), из-за чего транзистор 19 остается всегда открытым. Сигнал управления с коллектора транзистора 15 поступает на базу транзисторов 23, 24 через резисторы 28, 27. Теперь не трудно убедиться, . что устройство работает подобно двухпозиционному (релейному стабилизатору): при включении питания появляется напряжение на стабилитроне 14, перекашивается усилитель 13, открываются транзисторы 15, 23, 24, 2, 1, заряжается конденсатор и накапливается энергия в сердечнике дросселя 4 при протекании тока ключа через обмотки 3 и 7 (протекание одной части тока ключа через обмотку 3 на нагрузку осуществляется благодаря открывающемуся диоду 33, а другой части - через диод 5 и обмотку 7)-. Как только напряжение на потенциометре 12 достигнет уровня опорног восстанавливается баланс усилителя 13, закрываются транзисторы 15, 23, 24, 2, 1. Сердечник дросселя размагничивается, ЭДС самоиндукции с обмотки 7 через диод 6 поддерживает ток нагрузки. В системе устанавливается динамическое равновесие -

чем больше выходное напряжение, тем ниже частота следования выходных импульсов с транзистора 1 и наоборот. Необозначенные в схеме автогенератора 17 емкости корректируют фронты импульсов, что необходимо

для уменьшения уровня излучения при работе стабилизатора в обоих режимах, но с целью упрощения пояснений принципа работы они не рассматриваются.

Таким образом, незначительное видоизменение схемы стабилизатора (наличие

илиотсутствие перемычки в цепи коммутации) позволяет легко изменять тип включения дросселя (З фильтра (последовательно или параллельно с нагрузкой), что расширяет его функциональные возможности

при сохранении удовлетворительного КПД

всего ВИП-а в целом, без увеличения уровня помех целью коммутации.

Формула изобретения

Ключевой стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий составной транзисторный ключ на транзисторах разной

5 проводимости, АСЭ-фильтр, дроссель которого имеет две изолированные равновитковые силовые обмотки, включенный между выходом ключа и выходными выводами модулятор на базе одноемкостного мультивибратора с биполярными транзисторами и

0 двухбазовым диодом, выход которого соединен с входом составного транзисторного ключа, балансный усилитель сигнала ошибки, выходом подключенный через буферный каскад усиления к входу модулятора, а входами - к источнику опорного напряжения и резистивному делителю выходного напряжения, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей ключевого стабилизатора путем изменения схемы включения обмоток дросселя tQ -филь

Q тра последовательно или параллельно с нагрузкой без увеличения уровня излучаемых помех при сохранении высокого КПД вторичного источника питания в целом, между началами и концами силовых обмоток дрос-. селя включены дополнительные выпрямительные диоды, причем анод первого из них соединен с эмиттером ключа, катод - с диодом tCD-фильтра, анод второго соединен с входом цепи коммутации, а катод - с выходом стабилизатора соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Авторское свидетельство СССР 463957, кл. G 05 F 1/58, 1973.