Импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока Советский патент 1982 года по МПК G05F1/56 

(54) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к вторичным источникам электропитания устройств электронной техники.

Известен стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий инвертор вольтдобавки, вход которого связан с входом стабилизатора, а выход через полностью управляемый выпрямитель и фильтр включен последовательно с входом и подключен к выходным шинам стабилизатора, связанным через блок сравнения с опорным напряжением, саперными входами двух компараторов, вторые входы которых подключены к выходам двух синхронизированных генераторов разнополярного напряжения, а выводы подключены соответственно к управляющим входам инвертора вольтдобавки и управляемого выпрямителя Ij.

Известный стабилизатор напряжения имеет увеличенные габариты фильтра на выходе инвертора из-за необходимости сглаживания пульсаций прерывистого тока на выходе выпрямителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является стабилизатор напряжение постоянного тока, содержащий ключевой импульсный регулятор с DLC-фильтром, выход которого подключен к двухтактному транзисторному усилителю мощности, выход которого подключен к двухполупериодному диодному выпрямителю с конденсатором фильтра, подключенному последовательно с входным источником первичного постоянного напряжения к выходным клеммам, связанным с задающим автогенератором

10 на транзисторах, связанным с усилителем мощности, и узлом сравнения выходного напряжения с эталонным, выход которого через последовательно соединенные формирователь пилообразного

15 и формирователь широтно-импульсного сигнала связан с управлягацим входом .ключевого гшпульсного регулятора 2j,

В известном стабилизаторе напряжения обеспечивается формирование

20 напряжения вольтдобавки к входному напряжению сети. Величина напряжения вольтдобавки регулируется таким образом,, чтобы уровень суммарного напряжения на выходе устройства оставался постоянным при изменении уровня нап| яжения на входе. При отклонении выходного напряжения от заданного изменяется сигнал на выходе узла сравнения, что приводит к смещению уровня пилообразного напряжения

и изменению длительности широтноимпульсного сигнала на входе ключевого импульсного регулятора. С увеличением напряжения на входе стабилизатора напряжение на выходе импульсного регулятора уменьшается, соответственно уменьшается напряжение на йыходе усилителя мощности и напряжение вольтдобавки.

В известном стабилизаторе осуществляется частичное преобразование мощности нагрузки, за счет чего снижаются потери мощности в нем.

Недостатком известного стабилиз&тора напряжения является наличие потерь мощности в автогенераторе и в трансформаторном усилителе мощности, обеспечивающем инвертирование напряжения вольтдобавки, а также увеличенные габариты -его из-за больших габаритов трансформаторов.

Цель изобретения - увеличение КПД стабилизатора при одновременном уменьшении его габаритов.

Поставленная цель достигается тем что в импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий включенный последовательно в силовую шину ключевой регулирующий элемент, DLC-фильтр, блок сравнения выходного напряжения с эталонным, выходом соединенный через формирователь пилообразного напряжения и формирователь щиротно-и|ипульсного сигнала с управляющим входом импульсного регулирующего элемента, задающий генератор, выходом подключенный к формирователю пилообразного напряжения, двухтактны усилитель мощности, к общей точке эмиттеров двух силовых транзисторов которого подключен через дроссель выход ключевого регулирующего элемента и выпрямитель, включенный на выходе стабилизатора, введены дополнительный конденсатор DLC-филбтра, триггер, дифференциальная пара п-ртранзисторов, три резистора, ключево транзистор имеет п-р-п проводимость, в качестве выпрямителя используется двухполупериодная диодная мостовая схема, а усилитель мощности выполнен по .мостовой схеме на четырех составных парах транзисторов, причем коллекторы силовых п-р-п транзисторов третьей и четвертой составной пары соединены с эмиттерами соответствующих дополнительных р-п-р транзисторов и подключены к положительной шине питания, их эмиттеры через основной и дополнительный конденсаторы DLC-фильтра подключены к соответствующим выводам диагонали переменного тока двухполупериодной диодной мостовой схемы выпрямителя и непосредственно - к соответствующим.коллектора п-р-п транзисторов первой и второй составных пар, базы дополнительных транзисторов которых через первый и

второй резисторы соединены с противоположными базами силовых п-р-п транзисторов третьей и четвертой составных пар, подключенных к коллекторам соответствующих дополнительных р-п-р транзисторов, базы которых подключены к соответствующим коллекторам п-р-п транзисторов дифференциальной Нары, эмиттеры которых через третий резистор соединены с отрицательной шиной, а базы подключены соответственно к прямому и инверсному выходам триггера, счетный вход которого подключен к выходу задающего генератора. и запускающему входу формирователя пилообразного напряжения, дополнительно связанного с входом и выходом стабилизатора.

Кроме того, в качестве резисторов используют полевые транзисторы, затвор и исток которых объединены и являются одним выводом резистора, а сток - другим выводом резистора.

На чертеже изображена принципиальная электрическая схема импульсного стабилизатора напряжения постоянного тока.

Стабилизатор содержит задающий генератор 1, выход которого подключен к счетному входу триггера 2 и запускающему входу формирователя 3 пилообразного напряжения, управлякяцие входы которого соединены с входными положительной 4 и отрицательной 5 шинами питания, выходными б выводами и выходом узла 7 сравнения выходного напряжения стабилизатора с эталонным, также связанного с выходными клеммами 6

Выход формирователя 3 пилообразного напряжения подключен через формирователь 8 широтно-импульсного сигнала к базе ключевого п-р-п транзистора 9, эмиттер которого связан с отрицательной шиной 5 питания, а коллектор через анод-катод диода 10 - с положительной шиной 4 питания, а через дроссель 11 DLC-фильтра - с эмиттерами силовых п-р-п транзисторов 12 первой 13 и второй 14 составной пар, базы дополнительных п-р-п транзисторов 15 которых соединены через токовые резисторы на полевых транзисторах 16 с базами силовых п-р-п транзисторов 12 и коллекторами дополнительных р-п-р транзисторов 17 противоположных четвертой 18 и третьей 19 составных пар, эмиттеры дополнительных р-п-р 17 и коллекторы силовых п-р-п 12 транзисторов которых объединены и подключены к положительной шине 4 питания, эмиттеры их основных п-р-п транзисторов 12 подключены к коллекторам сил.овых 12 п-р-п транзисторов, соответственно второй 14 и первой 13 составных пар и через основной 20 и дополнительный 21 конденсаторы DLC-фильтра под.ключены к соответствующим выводам 1диагонали переменного тока двухпол периодной диохтной мостовой схемы выпрямитоля 22, а базы их дополнительных транзисторов 17 - к коллекторам п-р-п транзисторов 23 дифференциальной пары, эмиттеры которых через третий токовый резистор на полевом транзисторе 24 соединены с отрицательной шиной 5 питания, а базы подклю чены к прямому и инверсному выходу Триггера 2. Положительная шина 4 питания соединена с положительной выходной клеммой 6 через анод-катод диодного моста 22.

Кроме того, затворы и истоки каждого из полевых транзисторов 16 и 24 попарно объединены и являются одним выводом полевых транзисторов, а их стоки - другим выводом указанных резисторов.

Стабилизатор напряжения работает следующим образом.

При подаче входного напряжения задающий генератор 1 начинает вырабатывать импульсы, запускающие генератор 3 пилообразного напряжения и триггер 2. Ка выходах триггера 2 появляется противофазный сигнал, который обусловливает поочередное включение п-р-п транзисторов 23 дифференциальной пары, ток коллектора которых определяется величиной выходного напряжения триггера 2 и третьего резистора на полевом транзисторе 24. Коллекторный ток транзисторов 23 обеспечивает поочередное включение транзисторов третьей 19 и четвертой 18 составных пар и через токостабили зируквдие резисторы 16 соответствующее включение транзисторов второй 14 и первой 13 составных пар.

Входное напряжение питания через прямое сопротивление диодного моста 22 поступает на выход устройства и вход узла 7 сравнения, на выходе которого появляется управлякяций сигнал, обусловливающий формирование пилообразного напряжения с минимальной скоростью нарастания и включающего широтно-модулированного сигнала с максимальной дпительностью импульса включения ключевого транзистора 9. Ток в дросселе 11 возрастает. Мостовой двухтактовый усилитель мощности обеспечивает последовательное переключение тока дросселя 11 на заряд основного или дополнительного конденсаторов DLC-фильтра от входного напряжения через соответствугаций диод Моста 22 и составную пару 13 или 14 транзисторов. Во вторую половину периода переключения обеспечивается поочередное подключение и разряд основного 20 или дополнительного 21 конденсаторов к нагрузке по цепи третьего 19 или четвертого 18 составных транзисторов и одного из плеч диодного моста 22. Когда ток дросселя (заряда конденсаторов) превьааает ток нагрузки (разряда конденсатора), напряжение на конденсаторах 20 и 21 и выходе устройства начинает возрастать и достигает установленного значения, при этом изменением сигнала на выходе узла 7 сравнения приводит к увеличению длительности широтномодулированного сигнала и времени шключения ключевого транзистора 9.

0 Ток в дросселе стабилизируется на уровне тока нагрузки, а выходное напряжение - на заданном уровне. В установившемся режиме в предлагаемом устройстве ток заряда основного 20

s и дополнительного 21 конденсаторов 1)ЬС-фильтра равен току их разряда, имеет практически постоянную величину, равную току нагрузки, а величина напряжения на конденсаторе равна разнице между входным и выходным стабилизированным напряжением. Величина емкости конденсаторов 20 и 21 фильтра определяется из допустимого напряжения пульсации выходного на5пряжения ДЦч- - -

при заданных

значениях тока нагрузки J и частоты f работы задающего генератора. При изменении напрйжения на входе стаби0лизатора изменяется напряжение на его выходе, при этом соответственно изменяются длительность импульсов включения транзистора 9, средний ток через дроссель 11 и среднее значение

5 напряжения на конденсаторах 20 и 21 фильтра. Процесс вновь устанавливается, когда напряжение на выходе стабилизатора становится равным заданному , а ток через дроссель - равным

0 току на ГРУ 3 ки.

В устройстве формирование выходного напряжения осуществляется путем поочередного включения основного 20 и дополнительного 21 конденсаторов

5 DLC-фильтра, заряженных до требуемого значения напряжения вольтдобавки, последовательно с источником входного напряже н ия.

Связь формирователя 3 пилообраз0ного напряжения с входными и выходными шинами преобразователя позволяет осуществить коррекцию скорости нарастания пилообразного йапряжения и длительности импульсного включения транзисторов 9 при изменении входного

5 и выходного напряжений.

Предложенный способ получения напряжения вольтдобавки позволяет отказаться от применения трансформатора

0 в выходном усилителе мощности/ снизить « МОЩНОСТЬ, затрачиваемую на переключение его транзисторов и повысить частоту преобразования. Время переключения (выключения) выходных транзисторов 12 усилителя мощности

5 в данном устройстве может быть свед но к минимальной величине, так как в верхних составных парах 18 и 19 они работают по схеме с общим коллектором, а в составных парах 13 и степень их насьяцения, благодаря ста билизации входного тока на н 1жнем уровне, неглубока. Таким образом, частота переключе fHия плеч мостового усилителя мощнос ти ограничивается лишь частотными свойствами диодного моста и может составлять для современных кремниевых диодов (транзисторов) средней мощности 100-200 кГц, в то время как в известном устройстве максималь ная частота переключения не может быть выиге 20-50 кГц, так как с повышением частоты увеличивается .асимметрия полупериодов переключения в трансформаторном згщающем автогенераторе, приводящая к-появлению посто янной составляющей в выходном трансформаторе и увеличению его габарито Кроме того, на указанных частотах потери мощности в автогенераторе и на фронтахпереключения транзисторов усилителя мощности становятся значительными, что приводит к уменьшению до 50-70% КПД устройства. Включение дросселя 11 в эмиттерны цепи транзисторов усилителя мощности позволяет устранить броски скво ного тока в моменты переключения транзисторов и дополнительно снизить динамические потери мощности, так как ток через выключаемый транзистор н может превысить величины тока дросселя, а напряжение на нем остается незначительным из-за большого сопротивления дросселя. Сравнительные испытания лаборатор ного макета стабилизатора напряжения постоянного тока, выполненного с использованием предлагаемого и известного технических решений, показали, что при одинаковых параметрах стабилизированного выходного.напряжения (ток, амплитуда, пульсации) и максимально возможной для известного устройства частоте преобразования пе рядка 30 кГц КПД предлагаемого устройства составляет около 85% вместо 65 для известного, а объем конденсаторов фильтра лишь незначительно (на 30-50%) превышает объем коидеисаторов фильтра в известном. С увеличением частоты преобразования до 100 кГц Объем конденсаторов и дросселя фильтра в предлагаемом устройстве уменьшается в 2-3 раза, а КПД его остается выше (70-75%), чем в известном. Кроме того, предлагаемое устройство не критично к короткому замыканию в цепи нагрузки и не создает электромагнитных помех при работе за счет устранения бросков сквозного тока в моменты комг.тутапии. Формула изобретения Импульсн;лй стабилизатор напряжёния постоянного тока, содержащий включенный последовательно в силовую шину ключевой регулирующий элемент, riLC-фильтр, блок сравнения выходного) Напряжения с эталонньм, выходом соединенный через формирователь пилообразного напряжения и формирователь широтно-импульсного сигнала с управляющим входом ключевого регулирующего элемента, задающий генератор, выходом подключенный к формирователю пилообразного напряжения, двухтактный усилитель мощности, к общей точке эмиттеров двух силовых транзисторов которого подключен через дроссель выход ключевого регулирутадего элемента и выпрямитель, включенный на выходе стабилизатора, отличающийс я тем, что, с целью увеличения КПД стабилизатора при одновременном уменьшении его габаритов, в него введены дополнительный конденсатор DLCфилБТра, триггер, дифференциальная пара п-р-п транзисторов, три резистора, ключевой транзистор имеет п-р-п проводимость, в качестве выпрямителя используется двухполупериодная диодная мостовая схвма, а усилитель мощности выполнен по мостовой схеме на четырех составных парах транзисторов, причем коллекторы силовых п-р-п транзисторов третьей и четвертой составной пары соединены с эмиттерами соответствующих дополнительных р-п-р транзисторов- и подключены к положительной шине питания, их эмиттеры через основной и дополнительный конденсаторы DLC-фильтра подключены к соответствующим выводам диагонали переменного тока двухполупериодной диодной мостовой схемы выпрямителя и непосредственно к соответствующим коллекторам п-р-п транзисторов первой и второй составных пар, базы дополнительных транзисторов которых через первый и второй резисторы соединены с противоположными базами силовых п-р-п транзисторов третьей и четвертой составных пар, подключенных к коллекторам соответствующих дополнительных р-п-р транзисторов, базы которых подключены к соответствующим коллекторам п-р-д транзисторов дифференциальной пары, эмиттеры которых через третий резистор соединен с отрицательной шиной, а базы подключены соответственно к прямому и инверсному выходам триггеру, счетный вход которого подключен к выходу задающего генератора и запускающему входу формирователя пилообразного напряжения, допол