Стабилизированный источник электропитания Советский патент 1982 года по МПК H02M3/335 G05F1/56 

(54; СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания радиоэлектронной аппаратуры от сети переменного тока.

Известен источник питания, содержащий подключенный к входным выводам выпрямитель с фильтром, соединенный с задающим генератором и конвертором, вход которого связан через широтно-импульсный модулятор с задающим генератором, а выход - с нагрузкой непосредственно и через резистивный делитель напряжения - с пассивным двухполюсником и одним входом усилителя постоянного тока, другой вход которого соединен с узлом эталонного напряжения, выход-с входом широтно-импульсного модулятора, а цепи питания - с вспомогательным узлом питания l .

Недостатком известного источника питания является непосредственное подключение конвертора к высоковольтному постоянному .напряжению, получаемому на выходе сетевого выпрямителя с фильтром, в результате чего при использовании промышленной сети пере менного тока напряжением 220 В на коллекторных переходах силовых транзисторов конвертора действует импульсное напряжение, превышающее предельно допустимое значение ко.ллекторного напряжения для существующих типов транзисторов, что обуславливает необходимость использования сложных схем включения транзисторов (мостовое, последовательно и др.), снижает надежность работы, увеличивает потери мощности источника пита10ния, его габариты и массу.

Кроме того, на выходе выпрямителя в конверторе действует широтномодулированный импульсный сигнал и для получения на выходе конвертора по15стоянного напряжения с требуемым уровнем пульсаций необходимо использовать интегрирующий С-фильтр, что приводит к дополнительному увеличению габаритов и массы источника.

20

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является источник электропитания постоянньич стабилизированным напряжением, содержащий входной выпрямитель с

25 фильтром, к выходу которого подключен импульсиЬй стабилизатор с ДС-фильтром, выход которого подключен к блоку сравнения и управления, преобразователю напряжения с задаю30щим генератором, цепи защиты с реаксационным генератором и усилитею мощности, вход которого связан с преобразователем напряжения, а выходы подключены через выходной выпрямитель с фильтром к. нагрузке, а через вспомогательный выпрямитель непосредственно к блоку для сравнения и управления З.

В известном стабилизированном источнике питание усилителя мощности осуществляется пониженным напряжением, получаемым на выходе импульсного стабилизатора, при этом снижается величина напряжения, действующего на коллекторах силовых транзисторов усилителя мощности и достигается оптимальный режим их использования по току и напряжению, а прямоугольная форма напряжения на обмотках трансформатора позволяет уменьшить габариты фильтра на выходе источника.

Недостатком известного стабилизированного источника питания является низкая надежность его работы из-за повышенного импульсного напряжения, действующего на коллекторном переходе ключевого транзистора импульсного стабилизатора последовательного типа, величина которого равна величине напряжения на выходе мостового выпрямителя с фильтром, составляет 300-400 В при питании отпромышленной сети напряжением 220 В и приблиХ-ается к предельно допустимой для существующих типов мощных высокочастотных импульсных транзисторов.

Кроме того, потери мощности в момент переключения, пропорциональные величине коммутируемого напряжения и тока, в-известном источнике также завершены, что снижает коэффициент использования ключевого транзистора по мощности и показатель его надежности, а также снижает КПД стабилизированного источника электропитания.

Кроме того, в известном устройстве схема защиты от перегрузок и импульсного стабилизатора с блоком сравнения и управления достаточно сложны, а габариты дросселя 1С фильт ра завышены из-за н-аличия протекающей через него постоянной составляющей тока.

оЦель изобретения - повышение надеж ости работы устройства путем сни1ения экстремальных токов и напряжений, воздействующих на ключевой транзистор, при одновременном упроще НИИ схемы источника и .снижения габаритов дросселя.

Поставленная цель достигается тем что в стабилизированном источнике электропитания, содержащем мостовой диодный выпрямитель, диагональ переменного тока которого подключена к выводам для подключения источника

переменного тока, а диагональ постоянного тока подключена к первому конденсат.ору фильтра, цепь из последовательно соединенных стабилитрона и резистора, первым выводом соединенную с первым выводом первого коваденсатора фильтра, дроссель фидьтра, ключевой элемент, включенные параллельно выходным выводам источника электропитания второй конденсатор фильтра, первым выводом подключенный к управляющему входу з.адающего. генератора и усилитель мощности, основной выход которого через выпрямитель и фильтр соединен с выходными выводами источника электропитания, вспомогательный выход подключен к входу вспомогательного выпрямителя, а управляющие входы связаны с выходами задающего генератора, ключевой элемент выполнен на транзисторах по мостовой схеме, диагональ постоянного тока которого защунтирована цепью из последовательно соединенных стабилитрона и резистора, в диагональ переменного тока включен дроссель фильтра, а управляющие входы транзисторов через введенные резисторы подключены к соответствующим дополнительно введенным выходам усилителя мощности, входом питания подключенного к второму выводу первого конденсатора фильтра,управляющими входами подключенного непосредственно к выходам.задающего генератора, вспомогательный выпрямитель выходом подключен к дополнительному входу питания задающего генератора, дополнительный вход управления которого соединен с первым-выводом первого конденсатора фильтра, второйконденсатор фильтра первым выводом подключен к второму выводу цепи из последовательно соединенных стабилитрона и резистора, а вторым выводом - к входу питания усилителя мощности.

На чертеже изображена функциональная схема стабилизированного источника электропитания.

Стабилизированный источник электропитания содержит диодный мост 1, диагональ переменного тока которого подключена к источнику 2 переменного тока, а диагональ постоянного тока подключена к первому конденсатору 3 фильтра,первый вывод которого связан с первыми выводами второго конденсатора 4 фильтра, задающего генератора 5 и усилителя 6 мощности, а второй непосредственно с входом управления задающего генератора 5, а через диагональ постоянного тока мостового ключевого элемента 7 на четырех тран зисторах 8 - с вторыми выводами второго конденсатора 4 фильтра, задающе го генератора 5 и усилителя б мощное ти, основной выход которого через выпрямитель-9 с фильтром подключен к нагрузке 10, вспомогательный выхо через вспомогательный выпрямитель 1 с вспомогательным входом питания за дающего генератора 5, а дополнитель ными выходами через резисторы 12 с соответствующими базами транзисто ров 8 ключевого мостового элемента 7,в диагональ переменного тока KOII рого включен дроссель 13, а диагонал постоянного тока зашунтирована допол нительно стабилитроном 14 с последо вательно включенным резистором 15. В ходы задающего генератора 5 подключен к входам усилителя б мощности. Стабилизированный источник элект ропитания работает следующим образом. При включении источника 2 перемен ного тока первый конденсатор 3 филь ра через диодный мост 1 заряжается выпрямленным пульсирующим напряжением (током). Все транзисторы 8 ключе вого элемента 7 закрыты. Когда напряжение на конденсаторе 3 достигает величины напряжения стабилизации ста билитрона 14, последний открывается и через него и ограничительный резис тор 15 осуществляется заряд второго конденсатора 4 фильтра. После того, как напряжение на конденсаторе 4 достигает значения достаточного для самовозбуждения задающего генератора 5, последний выдает сигнал на усилитель б мощности, при этом начинают поочередно попарно переключаться транзисторы 8 ключевого элемента 7, обеспечивая протекание тока через дроссель 13 в том или ином направлеI. . Сопротивление ключевого элемента 7 уменьшается и дальнейший заряд конденсатора 4 осуществляется через диагональ постоянного тока транзисторного моста, при этом напряжение на указанной диагонали становится ниже напряжения стабилизации стабилитрона 14 и он выключается. Ток в дросселе 13 изменяет свое направление по треугольному закону в такт с частотой переключения транзисторов 8.При этом амплитудное значение его прямо пропорционально величине приложенного к нему напряжения и дли тельности включения в одном направлении (половине периода переключения и обратно пропорционально величине его индуктивности. с ростом напряжения на шинах пита ния задающего генератора 5 частота генерации его возрастает, при этом среднее значение тока, протекающего через ключевой элемент, уменьшается Когда среднее значение тока протекающего через ключевой элемент 7, ст новится равным току,.отбираемому уси лителем 6 мощности, нарастание напряжения на конденсаторе 4 прекращается, процесс останавливается. Параметры задающего генератора 5 и величина индуктивности дросселя 13 в зависимости от величины нагрузки и напряжения сети выбираются таким образом, чтобы максимальное значение напряжения на транзисторах усилителя мощности и транзисторах ключевого элемента были равными, тогда его величина составит примерно 2/3 от величины напряжения на первом конденсаторе фильтра для приведенной схемы включения усилителя мощности и поло- . вину его для мостовой схемы включения транзисторов, усилителя мощности. При питании источника.от промышленной сети переменного тока напряжением 220В t 10-15% напряжение на коллекторах транзисторов лежит впределах 200-250 В и составляет 50-70% . предельно допустимого коллекторного напряжения мощных высоковоль,тных мезапланарных п-р-п-транзисторов, выпускаемых промышленностью, что является наиболее оптимальным с точки зрения обеспечения их надежной работы. Величина напряжения стабилизации стабилитрона 14 выбирается несколько большей, чем максимально возможное напряжение, возникающее на ключевом элементе в установившемся режиме, этом достигается его надежное отключение после окончания процесса запуска устройства. В момент пуска устройства питание задающего генератора осуществляется по основной цепи питания через стабилитрон 14 и ограничительный резистор 15, величина сопротивления которого не велика и обеспечивает протекание тока, необходимого для устойчивого запуска задающего генератора . После того,как напряжение на ч . вспомогательном выходе усилителя 6 мощности и выходе вспомогательного выпрямителя 11 превысит величину напряжения питания по цепи пуска, последняя отключается и задающий генератор переходит на режим питания от вспомогательного выпрямителя, что позволяет снизить потери мощности, расходуемой на раскачку усилителя б мощности. По входу управления задающего генератора 5 .производится коррекция частоты генерации в зависимости от изменения напряжения на входе источника, что позволяет изменять среднее сопротивление ключевого элемента и повысить стабильность .выходного напряжения. Для повышения стабильности выходного напряжения, в зависимости от величины нагрузки в источнике, аналогичным образом может быть зве.цена коррекция частоты генерации задающего генератора 5 путем сравнения напряжения на конденсаторе 4 иливыходе вспомогательного выпрямителя с эталонным. Когда сопротивление на- . грузки существенно уменьшится, проис ходит резкое падение напряжения на конденсаторе 4, а частота задающего генератора становится минимально возможной длд .выбранной схемы генера тора, при этом сопротивление ключевого элемента 7 устанавливается на заданном минимальном уровне и нарастание потребляемого тока прекращается. , При дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки или коротком замыкании в ее цепи генерация срывается, ключевой элемент размыкается и осуществля тся запитка задающего генера тора по цепи стабилитрона 14 и ограничительного резистора 15. Устройств переходит в режим периодических проб ных включений до устранения замыкания в цепи нагрузки. Так как в источ нике направление тока через дроссель фильтра 13 периодически меняется со скважностью, равной двум, то величина постоянной составляющей, протекаю щей через него, равна нулю, подмагни чивание сердечника не наблюдается, что позволяет не менее, чем в два раза уменьшить его габаритные размеры по сравнению с известным. Кроме того, уменьшение в 1,5 раза в предложенном устройстве, по , сравнению с известным, напряжения на коллекторных переходах силовых транзисторов позволяет снизить примерно в два раза величину мощности рассеивания на каждом из них, что, помимо облегчения режима работы, позволяет повысить КПД источника, а отсутствие в нем блока управления ключевым стабилизатором и упрощение схемы защиты упрощает устройство в целом. Формула изобретения Стабилизированный источник электропитания, содержащий мостовой диодный выпрямитель, диагональ переменно го Toka которого подключена к выводам для подключения источника переменного тока, а диагональ постоянного тока подключена к первому конденсато ру фильтра, цепь из последовательно соединенных стабилитрона и резистора, первым выводом соединенную с первым выводом первого конденсатора фильтра, дроссель фильтра, ключевой элемент, подключенные параллельно выходным выводам источника электропитания, второй конденсатор фильтра, первым выводом подключенный к управляющему входу задающего генератора и усилитель мощности, основной выход которого через выпрямитель и фильтр соединен с выходными выводами источника электропитания, вспомогательный выход подключен к входу вспомогательного выпрямителя, а управляющие входы связаны с выходами задающего генератора, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повышения надежности работы устройства путем снижения экстремальных токов и напряжений, воздействующих на ключевой транзистор, при одновременном упрощении схемы источника электропитания и снижения габаритов дросселя, ключевой элемент выполнен на транзисторах по мостовой схеме, диагональ постоянного тока которого зашунтирована цепью из последовательно соединенного стабилитрона и резистора, в диагональ Переменного тока включен дроссель фильтра, а управляющие входы транзисторов через введенные резисторы подключены к соответствующим дополнительно введенньлм выходам усилителя мощности, входом питания подключенного к второму выводу первого конденсатора фильтра, управляющими входами подключенного непосредственно к выходам задающего генератора, вспомогательный выпрямитель выходом подключен к дополнительному входу питания задающего генератора, дополнительный вход управления которого соединён с первым выводом первого конденсатора фильтра, второй конденсатор фильтра первым выводом подключен к второму выводу цепи из последовательно соединенных стабилитрона и резистора, а вторым выводом к входу питания усилителя мощности. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР №609115, кл. Q 05 F 1/64, 1976. 2.Авторское свидетельство СССР № 597055, кл. Н 02 М 3/335, 1976.

.4.i|

i

Ю

У