Ключевой стабилизатор напряжения Советский патент 1981 года по МПК G05F1/56 

1

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вторичным источникам питания радиоэлектронной аппаратуры.

Известно устройство, содержащее ключевой регулируюмий элемент, источник запирающего напряжения, задающий генератор, регенеративный узел сравнения, времязгшаххцую RC-цепь, усилитель обратной связи, узел опорного напряжения и делитель эталонного напряжения 3

Известно устройство, содержащее преобразователь напряжения с выходным трансформатором, четыре выпрямителя, четыре сглаживающих фильтра, узел обратной связи и три дополнительных трансформатора с отводами в во вторичных обмотках, тоже соединенные определенным способом 2.

Известно также устройство, содержащее ключевой транзистор, сглаживающий фильтр, усилитель сигнала рассогласования, источник опорного напряжения, модулятор длительности импульсов, тактовый генератор и гнтегрирующую RC-цепь ГЗ.

Основными недоста1ками известных устройств являются невозможность обеспечения стабилизации нескольких

уровней выходного напряжения при неизменном входном напряжении без изменения схемы и конструкции, отсутствие возможности совмещения в одном устройстве режимов работы с внешней синхронизацией и от внутреннего генератора и, кроме того, наличие помех о нефиксированной частотой по причине отсутствия средств жесткой

10 фиксации частоты переключения.

Наиболее близкое к предлагаемому устройство содержит узел предварительной стабилизации, преобразователь постоянногонапряжения, стаби15лизирующую схему с регулирующим транзистором, два фильтра нижних частот, задающую LC-цепь, двд источника опорного Нсшряжения, интегр-альный управляющий элемент и делитель напряже20ния , соединенные определенным образом f 4.

Недостатками упомянутого устройства являются отсутствие возможности обеспечения стабилизгщии нескольких

25 уровней выходного напряжения без изменения схема и конструкции устройства, отсутствие режима работы с внешней синхронизацией и, как следствие, нефиксированная частота пере-

30 ключения и частота помех, изменяющиеся при изменении входного напряжения и нагрузки, так как она задается при помощи LC-цепи, через которую протекает ток нагрузки. Мешающее воздействие помех при несиЕ1хронизированной и нефиксированной частоте переключения ключевого стабилизатора наиболее существенно проявляется в аппаратуре магнитной записи, как правило Читающейся от нескольких ста билизированных источников питания с разньми уровнями и полярностями выходного напряжения и имеющей чувствительные к помехам входные цепи, где полезный сигнал не превышает нескольких десятков микровольт. Кроме того, известное устройство имеет сложную многоступенчатую схему с несколькими преобразованиями входного напряжения, что увеличивает габариты и снижает кддежность известного устройства. Цель изобретения - уменьшение уровня импульсных помех, жесткая фиксация частоты переключения и расширение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем, что в ключевой стабилизатор напряжения, содержащий последовательно соединенные входной выпрямитель с фильтром, транзисторный ключ и выход ной фильтр нижних частот, а также дифференциальный операционный усилитель, к первому инвертирующему входу которого подключен источник опорного напряжения, и делитель напряжения обратной связи, подключенный к выход ным выводам стабилизатора, введен управляемый генератор-модулятор, первый вход которого подключен к выходу упомянутого операционного усилителя, второй вход к синхронизирую щему выводу устройства, а выход к управляклдему входу указанного ключевого транзистора, причем второй вход упомянутого операционного усилителя связан с делителем напряжения обрат. ной связи через дополнительный RC-фильтр и с выходным выводом чере дополнительную поспедовательную цепо ку из резистора и конденсатора,. Упомянутый управляемый генератормодулятор выполнен на втором дифференциальном операционном усилителе, инвертирующий вход которого образует первый вход генератора, а неинвертирующий вход подключен ко второму входному выходу через конденсатор, оба чхода операционного усилителя шунтированы резисторами, при этом инвертирующий вход .через резистор с единен с его выходом, который через последовательную цепочку из резистора и конденсатора подключен к неинвертирующему входу. Делитель напряжения обратной свя зи выполнен на On ступеней, которые подключены к упомянутому дополнител ному RC-фильтру через переключатель на п положений. . На чертеже приведена функциональная схема устройства. Ключевой стабилизатор напряжения содержит последовательно соединенные входной выпрямитель с фильтром 1, транзисторный ключ 2, выходной фильтр 3 нижних частот, а также первый дифференциальный операционный усилитель 4, первый инвертирующий вход 5 которого подключен к источнику 6 опорного напряжения, второй вход 7 операционного усилителя через дополнительный RC-фильтр 8-9 связан с делителем 10 напряжения обратной связи и через дополнительную последовательную цепочку из резистора 11 и конденсатора 12 - с выходным выводом 13 устройства, выход первого операционного усилителя подключен к первому входу генератора-модулятора 14, второй вход которого подключен к синхронизирующему выводу 15 устройства, а выход - к. управлякмцему переходу транзисторного ключа. Упомянутый генератор-модулятор выполнен на втором дифференциальном операци |Нном усилителе 16, инвертирующий вход 17 которого образует первый вход генератора, а неинвертирующий вход 18 подключен ко второму входу генератора через конденсатор 19, оба входа операционного усилителя шунтированы резисторами 20 и 21, при этом инвертирукхций вход через резистор 22 соединен с выходом усилителя, который через последовательную цепочКу из конденсатора 23 и резистора 24 подключен к неинвертирующему входу. Делитель напряжения обратной связи выполнен на п ступеней, которые через переключатель на п положений 25 подключены к RC-фильтру 8-9. Ключевой стабилизатор работает следующим образом. Выпрямленное и сглаженное напряже-. ние с выпрямителя с фильтром 1 подается на транзисторный ключ 2 и после фильтра нижних частот 3 поступает на выход 13 устройства. Напряжение обратной связи по постоянному току с выхода 13 устройства поступает на делитель 10 напряжения на п ступеней и переключатель 25 на п положений, необходимее для установки любого одного из режимов работы и далее через дополнительный RC-фильтр на конденсаторе 19 и резисторе 8 подается на неинвертирукяций вход 7 дифференциального операционного усилителя 7. Одновременно напряжение обратной связи по переменному току с выхода 13 устройства через фазосдвигакйцую цепочку из конденсатора 12 и резистора 11 поступает на тот же вход 7 дифференциального операционного усилителя 4. Разделение цепей обратной связи по постоянному и переменному току и дополнительная фильтрация напряжения обратной связи по постоянному току позволяет сохранить оптимальные фаз вые соотнесения, обеспечивающие минимальную переменную составляющую как на частоте пульсаций выпрямител с фильтром, так и на частоте коммутации транзисторного ключа 2, для всех режимов работы устройства с «учетом широкого flVranasoHa изменений уровня входного t напряжения и тока нагрузкиустройства (например, для изменения уровня входного напряжени на ilO% и изменения тока нагрузки в 4 раза). Дифференциальный операцион ный усилитель 4 охвачен отрицательной обратной связью с частотной кор рекцией, которая подбирается таким образом, чтобы дополнительно уменьшить значение переменной составляющей на выходе 13 у стройства с учето частоты пульсаций выпрямителя с фильтром 1 и частоты коммутации, по ступающей от внешнего источника час тоты синхронизации на вход 15. В ре зультате взаимодействия суммы напря ний обратной связи по постоянному и переменному току на неинвертирующий вход 7 и суммы напряжений местной обратной связи и опорного источника б на инвертирующий вход 5 дифференциального, операционного усилителя 4 на его выходе формируется уровень напряжения, поступающий на инвертирующий вход 17 операционного усилителя 16 генератора-модулятора 14, изменяющийся таким образом, чтобы на выходе 13 устройства поддерживал ся стабильный уровень выходного напряжения при минимальном уровне переьюнной составлякяцей. При поступ лении на вход 17 операционного усилителя 15 генератора-модулятора 14 входного напряжения от дифференциального операционного усилителя 4 иа его выходе формируется перепад напряжения, поступаий1ий через цепь положительной обратной связи (конденсатор 24, резистор 23) на собственный иеинвертирующий вход 18. При ВТОМ уровень напряжения на входе 18 операционного усилителя 16 возрастает по линейному закону до тех пор, пока его уровень не сравняется с уровнем напряжения на инвертирую.щем входе 17 и не произойдет переключение выходного напряжения опергщионного усилителя 16 генераторамодулятора 14 на обратную поляр-, ность. Затем начинается перезаряд конденсатора 23, который происходит до тех пор, пока уровни напряжения на входах 17 и 18 операционного усилителя 16 снова не сравняется и вновь не произойдет переключение выходного напряжения операционного усилителя 16 генератора-модулятора 14 на другую полярность, после чего происходит новый перезаряд конденсатора 23. Время перезаряда конденсатора 3, а тем самым и скважность импульсов на выходе операционного усилителя 16 генератора-модулятора 14 изменяется в зависимости от изменения уровня напряжения на выходе дифференциального усилителя 4, уровень которого зависит от величины суммы напряжений обратной связи по постоянному и переменному току, поступающих на вход 7. Таким образом, при отклонении под воздействием возмущения выходного напряжения устройства на выходе 13 от номинального . значения напряжение рассогласования усиливается дифференциальным операционным усилителем 4 и через операционный усилитель 16, соответственно, управляет скважностью импульсов на выходе генератора-модулятора 14, поступающих на управляющий вход транзисторного ключа 2. Фазировка включения цепей обратной связи подобрана таким образом, чтобы выходное напряжение устройства оставалось неизменным с учетом изменения напряжения питающей сети и изменения нагрузки. При наличии на входе 15 синхроимпульсов, генератор-модулятор 14 переключается с частотой, равной частоте синхронизации, а регулировка уровня выходного напряжения устройства производится за счет изменения скважности импульсов управления, поступающих на управляющий вход транзисторного ключа 2с выхода генератора-модулятора 14. При отсутствии синхроимпульсов на входе 15 регулировка выходного напряжения устройства производится при одновременном изменении частоты и скважности импульсов управления, вырабатываемых операционным усилителем 16 генератора-модулятора 14 в зависимости от уровня напряжения, поступающего на его вход 17 с выхода дифференциального операционного усилителя 4. С целью увеличения устойчивости работы И температурной стабильности операционный усилитель 16 генераторамодулятора 14, кроме частотно-зависимой положительной обратной связи (конденсатор 23, резистор 24), охвачен отрицательной обратной связью (резистор 22) с собственного выхода на инвертирующий Ьход 17 и, кроме того, оба входа операционного усилителя 16 через выравнивающие резисторы 20 и 21 соединены с корпусом. Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает стабилизацию любого одного из заданных уровней выходных напряжений в широком диапазоне изменения нагрузки и- температуы окружающей среды как приналичии, так и при отсутствии В1 &анях синхоимпульсов, а наличие жесткой фикации частоты переключения позволят снизить уровень импульсных помех утем соответствующего выбора элеменов цепей отрицательной обратной