Система стабильного электропитания Советский патент 1981 года по МПК G05F1/56 

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в полупроводниковых стабилизаторах импульЪного действия, работающих при повышенных питающих напряжениях.

Известен импульсный стабилизатор напряжения, содержащий регулирукмдий . элемент, блокирующий диод, индуктивно-емкостный фильтр, блок сравнения, усилитель постоянного тока и широтноимпульсный модулятор .

Недостатком данного устройства является необходимость использования транзисторов в регулирудапем элементе с максимально допустилалми напряжениями коллектором и эмиттером больше или равными максимальному питакяцему напршкению. Кроме того, при питании импульсного стабилизатора от источника с напряжением, соизмеримым с максимально допустиквлм, коллектором и эмиттером транзисторов регулирующего элемента, работающего на индуктивную нагрузку, появляется опасность вторичного пробоя транзисторов, а динамические по- тери возрастают пропорционально увеличению питающего напряжения. Это приводит к снижению надежности и КПД устройства.

Известна схема импульсного стабилизатора напряжения, содержащая регулиругадий элемент, блокирующий диод, индуктивно-емкостной фильтр, блок сравнения, усилитель постоянного тока и широтно-импульсный модулятор, в данном устройстве обеспечивается возможность работы транзисторов с максимально допустимым напряжением между

10 коллектором и эмиттером меньше напряжения первичного источника питанияf2}.

при этом эавьвиены габариты и статические потери, а динамические потери в регулирующем элементе растут

15 пропорционально увеличению напряжения первичного источника питания. Креме тогю, для выравнивания напряжения на последовательно соединенных транзисторах, на которых выполнен регулирую20щий элемент, необходимо вводить выравниваюише цепочки как для статического, так и для динамического режимов принимать специальные меры для управления последовательно срединенными

25 транзисторами, что значительно усложняет схему устройства.

Наиболее близким к изобретению яв,ляется система стабильного электропитания, содержавшая импульсный стабили30затор напря:2ения, состоящий из регулирующего элемента, силовая цепь которого включена между выводом для подключения первичного источника питания и дросселем силового Фильтра, конденсаторов силового фильтра, включенных по схеме делителя, входом подключанного ко входу блока сравнения, выход которого через усилитель постоянного тока и широтно-импульсный модулятор соединен с управлякэдим входом регулирующего элемента, и блокирующег диода, один электрод которого подключен -к точке соединения регулирующего элемента с дросселем силового фильтра и преобразователь постоянного напряжения в переменное, состоящий из транзисторов, включенных по полумостовой схеме и управляющими электродами, соединенных с выходами узла управления, и силового трансформатора, первичная обмотка которого включена точкой соединения силовых электродов транзисторов преобразователя и выходом делителя на конденсаторах силового фильтра импульсногсэ стабилизатора напряжения, а вторичная обмотка соединена с выводами для подключения нагрузки Сз.

Недостатком данной системы является необходимость применения транзисторов, используемых в составе регулирующего элемента с максимально допустигфам напряжением между коллектором и эмиттером больше или равным напряжению первичного источника питания, использование блокирз)Ю1дего диода с максимально обратным напряжением, равным напряжению источника питания, низкое значение КПД из-за повышенных динамических потерь в регулирующем элементе и блокирующем диоде, низкая надежность из-за критичности к вторичному пробою транзистора.

Цель изобретения - повьндение КПД и улучшение выходных характеристик системы путем обеспечения возможности использования низковольтных транвисторов и диодов.

Поставленная цель достигается тем что в систему стабильного электропитания введена цепь из последовательно соединенных вторичной обмотки силового дросселя и коммутирующего диода, которая подключена параллел|.но тому конденсатору упомянутого делителя , который включен между выходом делителя и выводом для .подключения первичного источника питания, а второй электрод блокирующего диода подключен к выходу делителя.

На чертеже представлена функциональная системы стабильного электропитания,

Система содержит импульсный ста билизатор 1 напряжения и преобразователь 2 постоянного напряжения в переменное, являющегося нагрузкой для стабилизатора 1. Преобразователь

состоит из трансформатора 3 с первичной 4 и вторичной 5 обмотками, причем последняя подключена к нагрузке 6, транзисторов 7 и 8, включенных по полумостовой схеме и базами соединенных с узлом 9 управления. Импульсный стабилизатор 1 состоит из регулирующего транзистора 10, широтно-ймпульсного модулятора 11, усилителя 12 постоянного тока, узла 13 сравнения, силового фильтра 14, включающего блокирующий диод 15, KONW yтирующий диод 16, конденсаторы 17 и 13, дроссель 19 с первичной 20 и вторичной 21 обмотками. Источник питания и преобразователь 2 одну общую шину, другая шина источника подключена к преобразователю 2 через регулирующий элемент 10 и первичную обмотку 20 дросселя 19, вторичная обмотка 21, которая в данном случае выбирается с количеством витков, равным количеству витков обмотки 20, обмотка 21, через коммутирующий диод 16 подключена параллельно конденсатору 18, который вместе с конденсатором 17 выполняет функции фильтрации в силовом фильтре 14 и используется для создания емкостного делителя напряжения полумостовой схемы преобразователя, транзисторы 7 и 8 подключены последовательно между собой и параллельно емкостному делителю, между средней точкой которого и общей точкой соединения транзисторов 7 и 8 подключена первичная обмотка 4 силового трансформатора 3, блок сравнения, содержащий источник опорного напряжения, подключен ко входу преобразователя 2, выход блока 13 сравнения подключен через усилитель 12 постоянного тока ко входу широтно-импульсного модулятора 11, выход которого подключен ко входу регулирующего элемента 10. Система работает следуюгцим обраэ ул.

Блок 13 сравнения в зависимости от возмущающего воздействия (изменения выходного напряжения первичного источника 1 питания, сопротивления гсшьванически развязанной нагрузки 6, параметров элементов стабилизатора и преобразователя) изменяет через усилитель 12 постоянного тока коэффициент заполнения широтно-импульсного модулятора 11 таким образом, чтобы .сохранить напряжени-з на преобразователе прежним( до возмущающего воздействия) установленной величины (пренебрегаем статической ошибкой).

Рассмотрим квазиустановившийся режим - регулирующий элемент 1U переключается с постоянным коэффициентом заполнения. При замкнутом состоянии регулирующего элемента 10 энергия от первичного источника питания поступает через регулирующий элемент 10 и первичную обмотку 20 дросселя 19 в преобразователь. При этом в интервале открытого состояния регулирующего элемента 10 ток в первичной обмотке 20 увеличится от минимального значения (меньше среднего тока нагрузки до максимального значения (больше г среднего тока нагрузки). При токе в первичной обмотке 20 меньше, чем срений то преобразователя напряжение н конденсаторах 17 н 18 уменьшается, а при токе в первичной обмотке 20 больше, чем средний ток преобразователя, напряжение на конденсаторах 17 и 18 увеличивается. Номинальные значения конденсаторов 17 и 18 не превышают задай-ной величины. Напряжения на обмотках первичной 20 и вторичной 21 дросселя 19 при открытом состянии регулирующего элемента 10, полярности которых указаны на чертеже без скобок, по величине равные друг другу, определяются разностью напряжения первичного источника питания и выходного напряжения стабилизатора Ufouc Соответственно напряжения,приложенные к закрытым блокирующему 15 и коммутирующему 16 диодам, также и по величине определяются суммой половины напряжения на входе преобразовате я напряжения на первичной 20 (вторичной 21)обмотке дросселя 19.Таки образом, напряжения, приложенные к закрытому блокирующему 15 и коммутирующему 16 диодам, равны по величине чем в классической схеме. Причем в случае необходимости применения низковольтного диода в классической схеме импульсного стабилизатора потребуется последовательное их включение, это в ,,свою очередь приведет к необходимости введения выравнивающих RC-цепочек, вызывая усложнения схемы и y лeньшeниe КПД. При включенном состоянии регулирующего элемента 10 напряЖения на обмотках 20 и 21 дросселя 19 сменяет полярность на противоположную (на чертеже показано в скобках и накопленная энергия в дросселе 19 отдается в преобразователь через обмотки 20 и 21 и открытые блокирующий 15 и кo Фtyпирующий 16 диоды. Так как число витков обмоток 20 и 21 равно, то энергия, отдаваемая ими равна, равны и напряжения на конденсаторах 17 и 18. При 3jOM напряжение/ приложенное к закрытому регулирующему элементу 10, определяется разностью напряжений первичного источника питания и половины напряжения на входе преобразователя, что меньше напряжения, прикладываемого к регулирующему элементу 10 в классической схеме импульсного стабилизатора, равного напряжению источника питания. Необходимо подчеркнуть, что на этапе включения регулирующего элемента, когда неосновные носители в области базы блокирующего диода 15 рассасываются, динамические потери в регулирующем элементе 10 меньше, чем в классической схеме. В общем случае нагрузкой импульсного стабилизатора напряжения может являться и не полумостовая схе ма преобразователя, а любая другая, не имеющая общей точки соединения со средней точкой емкостного делителя на конденсаторах 17 и 18, т. е, подключенной непосредственно к выходу стабилизатора. Кроме того, дроссель 19 может быть выполнен с п обмотками как с равными количествами витков, так и не равными. Например, в случае равного количества витков появляется возможность использования низковольтных конденсаторов в высоковольтных импульсных стабилизаторах, максимально допустимое напряжение которых по техническим условиям больше или равн величине в п раз меньшей напряжения на преобразоватале 2. При этом отпадает необходимость выравнивания напржения с помощью параллельно включенных резисторов, понижающих КПД устройства. К кo лмyтирующим диодам 16 (количество которых равно п-1) при этом также, как и к регулирукичему , в закрытом состоянии прикладывается напрялсение

е.ыуЧпн)и п

образом,при увеличении числа (т. е. количества вторичных обмоток дросселя 19) напряжение, прикладываемое к закрытым силовым коммутирующим элементам, уменьшается. При этом преобразователь 2 может подключаться непосредственно к выводам для подключения нагрузки.

Проведенные исследования показывают, что данная система обладает по сравнению с известной следующими преимуществами: повышенным КПД из-за уменьшения динамических потерь в регулирующем элементе, блокируюгцем диоде, а также за счет исключения выравнивакнцих резисторов, на которых теряется энергия первичного источника питания, появляется возможность использования низковольтных регулирующих транзисторов, выполнякн4их функции р€ гулирую1чего элемента, параметры которых, как правило, значительно лучше высоковольтных транзисторов, появляется возможность использования низковольтных силовых диодов и конденсатора без применения цепей выравнивания, уменьшакхпих КПД системы.

Формула изобретения

Система стабильного электропитания, содержащая икшульсный стабилизатор напряжения, состоящий из регулирующего элемента, силовая цепь которого включена между выводом для подвключения первичного источника питания и дросселем силового фильтра.

конденсаторов силового фильтра, включенных по схеме делителя, входом подключенного ко входу блока сравнения, выход которого через усилитель постоянного тока и широтно-импульсный модулятор соединен с управляющим входом регулирующего элемента, и блокирующего диода, один электрод которого подключен к точке соединения регулирующего элемента с дросселем силового. фильтра, и преобразователь постоянного напряжения в переменное,, состоящий из транзисторов, включенных по полумостовой схеме и управляющими электродами соединенных с выходами узла управления, и силового трансформатора, первичная обмотка которого включена мелоду точкой соединения силовых электродов транзисторов преобразователя и выходом делителя на конденсаторах силового фильтра импульсного стабилизатора напряжения, а вторичная обмотка соединена с выводами для подключения нагрузки, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД и улучшения выходных характеристик системы путем обеспечёния . возможности использования нйЭковольтных транзисторов и диодов, в нее введена цепь из последовательно соединенных вторичной обмотки, силового дросселя и коммутирующего диода, J которая подключена параллельно тому конденсатору, упомянутого делителя, который включен между выходом делителя и выводом для подключения первичного источника питания, а второй электрод блокирующего диода подключен к выходу делителя.

Источники информацни, принятые во внимание при экспертизе

1.Мелешин В. И, и др. Стабилизи-. рованный преобразователь переменного

5 напряжения в низкое постоянное. Сб. Электронная техника в автоматике. Под ред. 10. И. Конева, М. , Советское радио, 1974, вып. 5, с. 58.

2.Буденный А. П. и др. Мощный ключевой стабилизатор. Сб. Электронная

техника в автоматике. Под ред.

10. И. Конева, М. , Советское радио,

1974, вып. 5, с. 65-66.

3.Авторское свидетельство СССР 5 308426, кл. G 05 F 1/56, 1973.