Преобразователь постоянного напряжения в постоянное Советский патент 1982 года по МПК H02M3/155 

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для питания обмоток возбуждения генераторов, а также в схемах вторичных источников питания (ВИП).

Известны преобразователи, в которых импульсное преобразование постоянного тока наиболее часто осуществляется с помощью транзистора, включенного последовательно с источником входного напряжения и нагрузкой. При этом в большинстве случаев эмиттер регулирующего транзистора подключается к источнику напряжения- При таком включении упрощается управление регулирующим транзистором, поскольку для цепи управления не требуется дополнительных источников напряжения tl и 2.

При использовании таких преобразователей в электросистемах с нулевой минусовой шиной нельзя применять регулирующие транзисторы с проводимостью п-р-п,к которым относятся наи более перспективные типы кремниевых транзисторов; значителен уровень радиопомех, создаваемых устройством, поскольку корпус регулирующего транзистора, соединенный с коллектором, имеет переменный потенциал. Сравнительно велики энергетические потери в цепи управления, включенной в больно шинстве случаев через базо-эмиттерный переход регулирующего транзистора параллельно входному источнику.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного 15 напряжения в постоянное, содержащий включенный между входным и выходным выводами регулирующий транзистор, базо-эмиттерный переход которого зашунтирован резистором, а коллектор 20 подключен к входному выводу, управляющий транзистор, эмиттер которого соединен с общей точкой другого входного и другого выходного выводов, и диод, подключенный между выходными выводами полярностью, противоположной знаку выходного напряжения 3 . Для работы упомянутого устройства необходимо наличие трех дополнительных источников напряжения, что ис-ключает целесообразность применения этого регулятора в электросистемах, где отсутствует силовой трансформатор, на пример, в составе автомобильного электрооборудования, так как ведет к значительному усложнению схемы. Цель изобретения - упрощение. Указанная цель достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения в постоянное между коллектором и базой регулирующего транзистора введена цепь из соединенных последовательно транзисторного ограничителя тока, дросселя и вольт-вычитающего элемента, при этом точка соединения дросселя и вольт-вычитающего элемента подключена к коллектору управляющего транзистора. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 вольт-амперная характеристика, транзисторного ограничителя тока; на фиг. 3 временные диаграммы; на фиг. Ц - схема стабилизированного источника напряжения на 6,3 В. Схема преобра,зовате:ля включает регулирующий и управляющий транзисторы 1 и 2, диод 3, подключенный к выхо ДУ регулятора полярностью, противоположной знаку входного напряжения, необходимый для замыкания тока индуктивной нагрузки (обмотки возбуждения генератора, дроссельные фильтры ВИП) обусловленного ЭДС самоиндукции, воз никающей при запирании регулирующего транзистора; транзисторный ограничитель тока k. В качестве ограничителя может быть применен полевой транзистор, включенный двухполюсником, дрос сель в цепи управления регулирующим транзистором 5,вЬльт-вычитающий элемент 6, необходимый для обеспечения полного запирания регулирующего тран зистора, представляющий собой двухполюсник. Напряжение на вольт-вычита ющем элементе при запертом состоянии регулирующего транзистора должно быт таким, чтобы при его вычитании из суммы напряжений на управляющем тран зисторе 2 и диоде 3, находящихся в проводящем состоянии, разница была меньше величины, достаточной для отпирания регулирующего транзистора. Вольт-вычитающий элемент должен оказывать минимальное сопротивление току, поступающему в базу транзистора 1 при включенном состоянии последнего. В приемлемой степени, указанным свойствам отвечает диод, совпадающий по проводимости с переходом база - эмиттер транзистора 1. В качестве вольтвычитающего элемента можно также использовать активный источник напряжения, например, термопару; резистор 7, шунтирующий базо-эмиттерный переход регулирующего транзистора, необходимый для обеспечения режима запирания транзистора 1. Работа предлагаемого устройства состоит в непрерывном чередовании открытого и закрытого состояний регулятора. Управление осуществляется извне прямоугольными импульсами, подаваемыми в базу управляющего транзистора. Насыщение транзистора 2 соответствует закрытому состоянию регулятора. При этом через ограничитель и дроссель проходит ток, возрастающий по мере накопления энергии дросселем, но не превышающий значения, лимитируемого ограничителем, а на переходе база - эмиттер транзистора 1 действует напряжение Ur , определяемое выражениембэ с(с- где иц0с - напряжение насыщения транзистора 2; Ug,g - напряжение вольт-вычитающего элемента; и - напряжение на диоде 3, обусловленное прохождением индукционного тока нагрузки. Если в качестве вольт-вычитающего элемента применен диод, то с некоторым приближением справедливо равенствоlUael ид1 На основании (1) и (2) имеем 53 ,с В общем случае остаточное напряжение на транзисторе 2 . меньше значения, необходимого для открывания транзистора. Таким образом, выражением (З) подтверждается запертое состояние транзистора 1 при насыщении транзистора 2 независимо от характера нагрузки. В -рассмотренном случае нагрузка индуктивная. При активной или емкостной нагруз ке напряжение Уд другого знака и, следовательно, транзистор 1 закрыт. Открытое состояние регулирующего транзистора 1 наступает при запирании транзистора 2. В этом случае управляющий ток поступает в базу транзистора 1, проходя через ограничитель, дроссель и вольт-вычитающий элемент. Падения напряжений на указанных элементах компенсируется за счет ЭДС самоиндукции дросселя. Обеспечивается также требуемый перепад напряжения на базе относительно коллектора транзистора 1. Таким образом, имеет место эффект наличия дополнительного источника, чем обуслав ливается высокий КПД регулятора. Состояния элементов схемы, соответствующие различным фазам рабочего цикла и их взаимосвязь, прослеживаются по временной диаграмме (фиг. 3) где представлены зависимости от времени для тока Jgn базы управляющего транзистора (управляющий сигнал), тока коллектора этого транзистора, тока 3,f, базы регулирующего тран зистора, тока 0«„ , протекающего через ограничитель и дроссель, напряжения , на базо-эмиттерном переходе транзистора 1, напряжения Uof на ограничителе тока и выходного напряжения Ugjj, при работе на индуктив ную нагрузку. Как видно из диаграммы индуктивная составляющая тока управления (зависимость - течением времени убывает. Поэтому, для сохранения экономичного режима работы длительность открытого состояния транзистора 1 не должна превышать некоторого значения, зависимого от величин индуктивности дросселя и коэффициента усиления по току транзистора 1, а также от величин тока нагрузки и тока управления. При возрастании длительности другой фазы (открытое состояние транзистора 2) возрастают потери на ограничителе 4 (график .UQpp(t), участок (Л ). Учитывая, что значения КПД наиболее существенны для максимального то ка нагрузки, целесообразно выбирать для этого режима длительность включенного состояния управляющего транзистора минимальной, но в то же время достаточной для того, чтооы ток управления достигал значения, лимитируемого ограничителем. Устройство проверяют экспериментально в составе схем реле-регулятора, предназначенного для управления током возбуждения генераторов и стабилизированного источника напряжения на 6,3 В. По схеме стабилизированного источника напряжения (фиг. 4) на , RI-R : и L. элементах D, собрано предлагаемое устройство, а на элементах Lq, J, 4, C-,-Cj выполнена остальная часть стабилизатора, состоящая из формирователя управляющих импульсов релаксационного типа и выходного сглаживающего L фильтра. Режим генерирования схемы обусловлен наличием связи между коллектором и базой транзистора Т4 по цепи, резистор R4 управляющий вход регулятора - выход регулятора резистор R - конденсатор: С. Включенный в указанную цепь регулятор инвертирует фазу, обеспечивая положительный знак обратной связи. Скважность генерируемых импульсов зависит от разности выходного и опорного напряжения, приложенных соответственно к эмиттеру и базе транзистоНапример, подбором элементов цепи обратной связи (R, С, R на фиг. k , задающих частоту следования управляю щих импульсов, и изменением величины тока управления, осуществляемым путем смены резистора Rn, можно получать максимальные значения КПД (более 0,9) для разных токов нагрузки в пределах до 3 А. Предлагаемый преобразователь более прост по сравнению с известными. Формула изобретения Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий регулирующий транзистор, базо-эмиттерный переход которого зашунтирован резистором, а коллектор подключен к входному выводу, управляющий транзистор, эмиттер которого соединен с общей точкой другого входного и другого выходного выводов, и диод, подключенный между выходными выводами полярностью, противоположной знаку выходного напряжения, отличающийся тем, что, с целью

упрощения, между коллектором и базой регулирующего транзистора введена цепь из соединенных последовательно транзисторного ограничителя тока, дросселя и вольт-вычитающего элемента, при этом точка соединения дросселя и вольт-вычитающего элемента подключена к коллектору управляющего транзистора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Бела-Буна Электроника на автомобиле, М., Транспорт, 1979, с. 18, рис, 117, с. 33, рис. Z.

2.Вересов Т, П,, Смуряков Ю. Л. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры, М,, Энергия, 1978 с. 88-95, рис, , 4-11 и .

3.Головацкий В, А. Транзисторные импульсные усилители и стабилизаторы постоянного напряжения,М,, Сов,радио, 197, с, Ц, рис. 82.

ffflff/ / ffOflW

fffflffffjf

фуг. /

ff

Й/д/

Jdfl

.

ff.J