Импульсный стабилизатор напряжения (его варианты) Советский патент 1982 года по МПК G05F1/64 

(5) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к преобразо.вательной технике и может быть исполь зовано при разработке вторичных источников питания, Известно устройство, содержащее мостовой статический преобразователь с широтни-регулируемыми транзисторами , в ,1ходной трансформатор и линейный однообмоточный дроссель, включенный последовательно с обмоткой выходного трансформатора 1, Обмотка линейного дросселя позво- ляет ограничивать ток к первичнбй обмотке зыходного трансформатора во вре мя открывания транзисторов статического преобразователя напряжения, однако она не обеспечивает нагрузку энергией во время выключенного состояния транзисторов статического преобразователя. Обеспечение энергией нагрузки в это время осуществляется реактивными элементами, подключенными параллельно выпрямителю, чт ведет к снижению КПД устройства и увеличению его габаритов.t Известно также устройство, содержащее мостовой статический преобразсйватель с широтно-регулируемыми транзисторами, выходной трансформатор, выходной выпрямитель с Фильтром и линейный двухобмоточный дроссель, одна обмотка которого включена в цепь пи- . тания статического преобразователя, а вторая обмотка связана через коммутирующий диод с выходным фильтром. Во время V открытого состояния транзисторов преобразователя, через перовую обмотку дросселя протекает ток и в ее индуктивности запасается энергия. После выключения транзисторов преобразователя, в обмотках дросселя возникает ЭДС такой полярности, что открывается коммутирующий диод и обеспечивается передача энергии, накопленной дросселем в нагрузку, диоды выходного выпрямителя в это воемя закрыты и напряжение на

обмотках выходного трансформатора равно нул10 Г21.

Устройство не позволяет одновременно стабилизировать выходное напряжение трансформатора по амплитудному, среднему и эффективному значениям. Следовательно такое устройство не может быть использовано для питания нескольких гальванически не связанных нагрузок. Кроме tO того , недостатком этого устройства является то, что первая обмотка дросселя гальванически связана с питающей сетью, а вторая - с нагрузкой. В случае высоковольтной нагрузки это требует применения соответственно и двух (транс Ьорматор и дрос- ; сель) высоковольтных элементов. ; Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результат у является импульсный стабилизатор напряжения, который содержит мостовой статический преобразователь с двумя полностью и двумя не полностью управляемыми транзисторами (т.е. с двумя широтно-регулируемыми и двумя нерегулируемим транзисторами), выходной трансформатор, первичная обмотка которого выполнена со средней точкой, выходной выпрямитель с фильтром, модулятор управляющих импульсов, дроссель, подключенный ко входу .стабилизатора и коммутирующий диод, катод которого подключен ко входу стабилизатора, а анод - к сред ней точке первичной обмотки выходног трансформатора t3. Такое устройство обеспечивает ча стичную стабилизацию выходного нап ряжения в течение полупериода, но не позволяет поддерживать выходное напряжение с одинаковой степенью ТОЧНОСТИ по среднему, эффективному и амплитудному значениям. I Цель изобретения - расширение . функциональных возможностей путем преобразования широтно-импульсной модуляции в амплитудно-импульсную. Поставленная цель достигается те что в импульсный стабилизатор напр Жения,.. содержащийлюстовой усилител мощности с двумя последователено со единенными широтно-регулируемым и двумя последовательно соединенными нерегулируемыми транзисторами, диаг наль постоянного тока которого подключена к входным выводам, а в диагональ переменного тока включен вы9283294

j ходной трансформатор, gjioK управления, входом подключенный к выходным выводам, .а выходом - к управляющим пе реходам транзисторов усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод, подключенный одним из электродов к входному выводу, в- направлении, обратном протеканию тока, введен второй коммутирующий диод, одним из Электродов подключенный к второму входному выводу..в направлении, обратном протеканию тока, а вторым - к эмиттеру первого широтног-регулируемого транзистора, связанного с первым входным выводом, причем второй электрод первого коммутирующего диода подключен.к коллектору второго широтно-регулируемого транзистора, а упомянутый дроссель выполнен в первом и втором варианте с отводом от средней точки обмотки, который соединен с соответствующим выводом упомянутого выходного трансформатора и включен в первом варианте разрыв соединения широтно-регулируемых транзисторов, во втором варианте-в разрыв нерегулируемых транзисторов,а в третьем варианте упомянутый дроссель выполнен двухрбмоточным, при том первая обмотка включена в разрыв соединения широтно-регулируемых, а вторая г в разрыв соединений нерегулируемых транзисторов. На фиг. 1-3 приведены электрические схемы вариантов выполнения, импульсного стабилизатора напряжения, на фиг. -6 - эпюры напряжения, поясняющие работу вариантов импульсного стабилизатора напряжения. Стабилизатор содержит дроссель 1, с двумя полуобмотками (или обмотками) 2 и 3, мостовой усилитель мощности с двумя, последовательно сое.диненными широтно-регулируемь1ми Ц и 5 и нер1эгулируемыми 6 и 7 транзисторами, первый коммутирующий диод 8 и второй коммутирующий диод 9, выходной трансформатор 10, включенный в диагональ переменного тока мостового усилителя мощности, блок управления 11, нагрузку 12, первый 13 и второй 14 входные выводы, к которым подключена диагональ постоянного тока моста усилителя мощности, в первом варианте {фиг. 1) дроссель 1 включен в разрыв соединения широтно-регулируемых транзисторов Ц , и 5 и вывод от средней точки обмотки

дросселя 1 соединен с началом первичной обмотки выходного трансформатора 10, первый коммутирующий диод 8 подключен к первому входному выво ду 13 и коллектору второго широтнорегулируемого транзистора 5, второй коммутирующий диод 9 подключен ко второму входному выводу 1 и эмиттеру первого широтно-регулируемого транзистора t. Блок управления 11 входом подключен к выходным выводам нагрузки 12, а выходами - к управляющим переходам транзисторов -7 усилителя мощности,.

Во втором варианте (фиг, 2) дроссель 1 включен в разрыв соединения нерегулируемых транзисторов 6 и 7, а вывод от средней точки обмотки дросселя 1 подключен к концу первичной обмотки выходного трансформатора 10

В третьем варианте (фиг. З) дроссель 1 выполнен двухобмоточным, при этом первая обмотка 2 включена °в разрыв соёдинення широтно-регулируемых транзисторов 4 и 5, а втовая обмотка 3 - в разрыв соединения нерегулируемых транзисторов 6 и 7,

Остальные соединения во втором и третьем вариантах такие же как и в первом варианте.

На фиг, k приведены эпюры напряжения для первого варианта :15.эпюра напряжения на коллекторном переходе транзистора 4; 16 - эпюра напряжения на коллекторном переходе транзистора 5; 17 - эпюра напряжения на коллекторном переходе транзистора 6; 18 - эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 7; 19 - эпюра напряжений на первичной обмотке трансформатора 10; 20 - эпюра напряжений на обмотках 2 и 3 дросселя 1. .

На фиг, 5 приведены эпюры напряжения для второго варианта : 21эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора ; 22- эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 5; 23 - эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 6; эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 7.

На Лиг, 6 приведены эпюры напряжений для третьего варианта: 25эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора k; 26- эпюранапряжений на коллекторном переходе транзистора 5; 27 -эпюра напряжений на коллекторном переходи транзис28329А

тора 6; 28 - эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 7. Эпюры напряжений на первичной обмотке трансформатора 10 и обмотках 5 2 и 3 дросселя 1 для второго и трет гего вариантов стабилизатора такие же, как для первого варианта

(не показано),

На фиг, -6 принятые следующие

to обозначения уровней напряжений:

Eg- напряжение питания стабилизатора;

напряжение на первичной обмотке трансформатора 10; „

15 Цд- напряжение на обмотках 2 и

3 дросселя 1.

Импульсный стабилизатор напряжения работает следующим образом, В первом варианте (фиг, I,) на

20 базы транзисторов t-7 от блока управления 11 поступают управляющие импульсы с постоянной частотой. Скважность (отношение периода переключения и времени рткрытого состояния

25 транзисторов) управл11ющих импульсов, поступающих.на базы транзисторов 6 И 7 постоянна и равна двум, С (важность управляющих импульсов, поступающих на базы транзисторов 4 и 5,

30 равна или больше двух и зависит от величины выходного стабилизированного напряжения. Во.время открытого состо.яния транзисторов и 7 происходит передача электрической энергии

,, через трансформатор 10 в цепь наг . рузки 12 и накопление энергии в обмотке 2 дросселя 1. Величины падения напряжения ид на. об.мотке 2 дросселя 1 и на обмотке выходного тран Q сформатора 10 U показаны на эпюрах 19 и 20, Транзистор k выключается, напряжение на его коллекторном переходе возрастает до уровня питания стабилизатора EQ (эпюра 15) при этом происходит увеличение напряжения на коллекторном переходе транзистора 5 до уровня 2 Uy, значение напряжения на коллекторном переходе транзистора 6 остается равным Eg (эпюра 17), транзистор 7 остается

50 открытым до окончания полупериода (эпюра 18). Напряжение на обмотке 2 дросселя 1 изменяет свою полярность (эпюра 20) под действием развивающейся ЭДС, Напряжение на обмотке 2 дросселя 1 становится равным напряжению на обмотке выходного тран. сформатора 10, коммутирующий диод 9 открывается, при этом энергия, за 7 , пасенная в обмотке 2 дросселя 1 ,пере дается в первичную обмотку выходного трансформатора 10. Напряжение на об мотке трансформатора 10 остается по стоянным до окончания полупериода (эпюра 19). Транзистор 7 выключается, напряжение на его коллекторном переходе становится равным Е(эпюра 18), напряжение на коллекторном переходе транзистора снижается до уровня и . (эпюра 15), транзисторы 5 и 6 открываются, напряжение источника питания стабилизатора прикладывается к обмотке выходного трансформатора 10;противоположной ПОЛЯрности (эпюра 19), вызывая перемагнимивание егосердечника . При этом происходит передача энергии через трансформатор 10 в цепь нагрузки 12 и накопление энергии в обмотке 3 Дро селя 1. Величина падения напряжения Уд на обмотке 3 дросселя 1 и обмотке выходного трансформатора U- показаны на эпюрах 19 и 20.Транзистор 5 выключается, напряжение на его коллекторном переходе возрастает До напряжения Ед(эпюра 16), при этом напряжение на коллекторном переходе, закрытого транзистора k возрастает до 2 U (эпюра -15), напряжение на коллекторном переходе закрытого транзистора 7 остается равным EQ (эпюра 18),транзистор 6 остается отк.§ытым до окончания полупериода, напряжение на обматке 3 дросселя 1 изменяет свою полярность (эпюра 2.0) , под действием развивающейся ЭДС напряжение на обмотке 3 дрос селя 1 становится равным напряжению (и)на обмотке трансформатора 10, открывается коммутирующий диод 8, приватом энергия, запасенная в обмотке 3 дросселя 1 , передается в обмотку трансформатора 10. Напряжение на обмотке трансформатора 10 остается постоянным (эпюра 19). Во время выключенного состояния широтко-рёгулируемых транзисторов и 5, обмотка.трансформатора 10 отключается от .источника питания стабилизатора. Далее процесс повторяется. Во втором варианте (фиг. 2 и 5) импульсы управления от блока управле ния 12 подаются на базы транзисторов -7 с такой же частотой и скважностью, как это описан-: в принципе действия импульсного стабилизатора в первом варианте. Во время открытого состояния транзисторов и 7 прои.с9ходит передача электрической энергии через трансформатор 1Q в цепь нагрузки 12и накопление энергии в обмотке 3 дросселя 1, Величины падения напряжений Уд на обмотке 3 дросселя 1 и обмотке выходного трансформатора 10 Uy приведены на эпюрах 19,20. Транзистор k выключается , напряжение на его коллекторном переходе возрастает до уровня Е (эпюра 21), Hsfhряжение на коллекторном переходе выключенного транзистора 5 снижается до нуля (эпюра 20) , напряжение на коллекторном переходе выключенного транзистора 6 возрастет до уровня , Е + 2 Uy (эпюра 23), транзистор 7 остается открытым, (эпюра 2k} f напряжение на обмотке 3 дросселя 1 изменяет свою полярность под действием раз-, вивающейся ЭДС достигает значения, равного и т (эпюра 19), коммутирующий диод 9 открывается,при этом энергия, запасенная в обмотке 3 дросселя 1,передается в первичную обмотку выходного трансформатора 10. Напряжение на обмотке выходного трансформатора 10 остается постоянным до окончания полупериода (эпюра 19). Транзистор 7 выключается напряжение на его коллекторном переходе становится равным Uy (эпюра 2), транзисторы 5 и 6 включаются, напряжение на коллекторном переходе выключенного транзистора f остается равным Eg (эпюра 21), напряжение источника питания стабилизатора прикладывается к обмотке выходного трансформатора 10 противоположной полярности (эпюра 19), вызывая перемёгничивание его сердечника. При этом происходит передача энергии через трансформатор 10.в цепь нагрузки 12 и накопление энергии в обмотке 2 дросселя 1. Транзистор 5 выключается , напряжение на его коллекторном переходе возрастает до Ер(эпюра 22), напряжение на коллекторном переходе закрытого транзистора 7 возрастает до уровня (эпюра 2Ц, напряжение на обмотке 2 дросселя 1 изменяет свою полярность (эпюра 20) под действием развивающей,ся ЗДС оно становится равным значению и, коммутирующий диод 8 открывается, при этом напряжение на коллекторн-я. переходе закрытого тр.анзистора ( снижается до нуля (эпюра 21).Энергия, запасенная в обмотке 2 дросселя 1, передается через обмотки трансформатора 10 в нагрузку 12. -Напряжение на обмотке трансйгарматора 10 остается постоянным до окончания полупериода (эпюра 19). Во время выключенного состояния тр зисторов k и 5 обмотка трансформатора 10 отключается от источника пи тани1Я стабилизатора. Далее процесс повторяется. В третьем вгарианте, принцип рабо ты аналогичен принципу работы стаб лизатора первого варианта. Отличительной особенностью работы третьего варианта является то, 4to напряжение на коллекторных переходах закоытых транзисторов не превышает значения как это показано на фиг.6. В первом .варианте импульсного ст билизатора . величина напряжения, приложенного к коллекторным переход транзисторов не превышает 2 Uy. Поэтому целесообразно его использовать при питании стабилизатора Ьт источника постоянного тока напряжением 220 - 550 В. Однако в этом варианте схемы в процессе коммутации нерегулируемых транзисторов 6 и 7 возможно возникновение, сквозных то ков. Во втором варианте импульсного стабилизатора максимальная величина напряжения, приложенного к коллекто ным переходам транзисторов,возрастает до уровня Ед+ 2 Ц.. Поэтому наиболее целесообразно его ис пользовать при питании стабилизатор Ь:Т источников ПОСТОЯННОГО токэ напр имением 27-110 В, причем уровень нап жения Eg+2 не является определяющим при выборе типа транзисторов преобразователя. Кроме того, дроссель, включенный между эмиттером транзистора 6 и коллектором транзис тора 7, ограничивает сквозные токи через эти транзисторы. В третьем варианте импульсногс стабилизатора максимальная величина напряжения, приложенного к коллекто ным переходам транзисторов,составляет Е. +0, Этот вариант может быт использован при питании от любого уровня постоянного напряжения Обмотки дросселя 1 , включенные между эмиттерами транзисторов и 6 и коллекторами транзисторов 5 и 7, так же ограничивают сквозные токи п коммутации. Однако, изоляция между .обмотками дросселя 1 в этом случае должна быть расчитана на полное вхо 9 10 нее напряжение первичной обмотки трансформатора 10, в то время, как в пер-, вых двух вариантах напряжение между обмотками дросселя 1 не превышает падения напряжения на его активном сопротивлении от тока первичной обмотки трансформатора 10. Предлагаемые варианты устройства целесообразно использовать для питания нескольких гальванически не связанных нагрузок на переменном или постоянном токе. При этом, в случае нагрузки на постоянном токе, емкость конденсаторов фильтров снижае ся за счет преобразования широтноимпульсной модуляции в амплитудно-импульсную, вызывая снижение габаритов устройства и повышение его КПД. Кроме того, целесообразно использоеание предлагаемого устройства для питания высоковольтной нагрузки, так как в этом случае обеспечивается снижение габаритов и повышение надежности за счет исклЮ1 ния из схемы высоковольтного дросселя. Формула изобретения 1. Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий мостовой усилитель мощности с двумя последовательно соединёнными широтно-регулируемыми и двумя последовательно соединенными нерегулируемыми тран1зисторами, диагональ постоянного тока которого подключена к входным выводам, а в диагональ переменного тока включен выходной трансформатор, блок управления входом подключен- ный к выходным выводам, а выходом.к управляющим переходам транзисторов усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод подключенный одним из электродов к входному выводу в направлении, обратном про- . теканию тока, отличающийс я тем, что с целью расширения функциональных возможностей путем преобразования широтно-импульсной модуляции в амплитудно-импульсную, в него введен второй коммутирующий диод, одним из электродов подключённый к второму входному выводу в направлении , обратном протеканию тока, а вторым - к эмиттеру первого широтно-регулируемого транзистора, связанного с первым входным выводом, причем второй электрод первого коммутирующего диода подключен к коллек тору второго широтно-регулируемого транзистора, а упомянутый дроссел выполнен с отводом от средней точки обмотки,, который соединен с соответствующим выводом упомянутого выходного трансформатора и включен в разрыв соединения широтио-регулируемых транзисторов. 2. Импульсный стабилизатор напряж ния, содержащий мостовой усилитель мощности с двумя последовательно соединенными широтно-регулируемыми и двумя последовательно соединенными нерегулируемыми транзисторами, диагональ постоянного тока которого подключена к входным выводам, а в дц агональ переменного тока включен выходной трансформатор, блок управления, входом подключенный к выходным выводам, а выходом- к управляющим переходам транзисторов усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод, подключенный одним из электродов к входному выводу в направлении, обратном протеканию тока, отличающийся тем, что, с целью расширения i функциональных возможностей путем преобразования широтно-импульсной модуляции в амплитудно-импульсную, в него введен второй коммутирующий диод, одним из электродов подключенный к второму входному выводу в направлении, обратном протеканию токаР, а вторым - к эмиттеру первого широтно-регулируемс го транзистора, связанного с первым входным выводом, причем второй электрод первого коммутирующего диода подключен к коллектору второго широтно-регулируемого транзистора, а упомянутый дроссель выполнен с отводом от средней точки обмотки, который соединен с соответствующим выводом упомянутого выходного трансформатора и включен в разрыв соединения нерегулируемых транзисторов. 912 3. Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий мостовой усилитель мощности. с двумя последовательно соединенными широтно-регулируемыми и двумя последовательно соединенными нерегулируемыми транзисторами, диагональ постоянного тока которого подключена к входным выводам, а в диагональ переменного тока включен выходной трансформатор, блок управления, входом подключенный к выходным выводам, а выходом - к управляющим переходам транзисторов усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод,подключенный одним из электродов к входному выводу в направлении обратном протеканию тока, отличающийся тем, что, с целью расширения фукнциональных возможностей.путем преобразс ания широтно-импульсной модуляции в амплитудно-импульсную, в него введен второй коммутирующий диод, одним из электродов подключенный к второму входному выводу в направлении, обратном протеканию тока, а вторым к эмиттеру первого широтно-регулируемого транзистора, связанного с первым входным выводом, причем второй электрод первого коммутирующего диода подключен к коллектору второго широтно-регулируемого транзистора, а упомянутый дроссель выполнен двухобмоточным, при этом первая обмотка включена в разрыв соединения широтнорегулируемых, а вторая - в разрывсоединения нерегулируемых транзисто- ров. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США If 3697855, кл. Н 02 М 7А2, 1972, 2; Патент Франции № 212бЗЗб, кл. Н 02 М 3/00, 1972. 3. Авторское свидетельство СССР ff 52М71, кл. G 05 F 1/6i(. 1976.

)f

UT

U2.tt

0

2/

22

UT

.23

UT

2

Фиг.5

0

25

UT

l/T

27

28

Фиг.6