Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения

(51) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТЕЛЬСТВ Н АВТОРСКОМ ь- хОСУДАРСТНЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Всесоюзный научно-исследовател ский, проектно-конструкторский и те нологический институт релестроения (72) В,М,Пименов и К,Г.Лакирович (53) 621.316.722.1(088.8)(56) Авторское свидетельство СССР В 985552, кл; Н 02 М 3/335, 1981.Авторское свидетельство СССР В 10953328.А, кл. Н 02 М 3/335, 198 (54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к электр технике, в частности к источникам вторичного электропитания. Цель иэо ретения - повышение КПД и качествастабилизации выходного напряжения.Введение в схему компаратора 11, делителя напряжения на резисторах 12и 13, блока 15 временной задержки иблока 16 формирования запускающих импульсов позволяет ограничить частотупереключений силового транзистора 5при малых нагрузках на выходе. Поэтому динамические потери в транзисторе5 снижаются, а КПД устройства повышается. Введение блока 16 также повышает КПП устройства за счет формирования узких импульсов отпирания транзистора 5. Качество стабилизации обеспечивается уменьшением выходныхпульсаций. 1 з.п.ф-лы, 2 ил,3906 1 128Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования при реализации электропитаниярадиоэлектронной аппаратуры.Цель изобретения - повышение КПДи качества стабилизации выходного напряжения.На фиг, 1 представлена. Функциональная схема предложенного стабилизированного преобразователя постоянногонапряжения," на фиг.2 - временные диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие его работу,Устройство содержит накопительныйдроссель 1 (Фиг,1) с обмотками входной 2, выходной 3 и обратной связи 4,силовой транзистор 5, силовые выпрямитель и фильтр, условно объединенныев блоке 6, вспомогательный транзисторный ключ 7, последовательную КСцепочку 8 с резистором 9 и конденсатором 10, компаратор 11, делительнапряжения с резисторами 12 и 13,вспомогательный блок 14 выпрямленияи сглаживания, блок 15 временной задержки, блок 16 формирования запускающих импульсов с двухвходным элементом 17 И, инвертором 18 и нульорганом 19, блок 20 обратной связи,выполненный по схеме дифференциального усилителя с оптронным выходом,блок 21 первоначального запуска, Схема содержит клемму 22 для подключенияпотенциального вывода первичного источника питания, а также клеммы 23 и.24 для подключения нагрузки, Коллектор силового транзистора 5 черезвходную обмотку 2 накопительного4 дросселя 1 соединен с клеммой 22, аэмиттер подключен к шине нулевого потенциала, Блок 6 с силовыми выпрями-телем и фильтром включен между выходной обмоткой 3 накопительного дросселя 1 и клеммами 22, 24, К выходу блока 6 подключен вход блока 20 обратнойсвязи, Вход вспомогательного блока 14выпрямления и сглаживания соединен собмоткой 4 обратной связи накопительного дросселя 1, подключенной через балластньп резистор (не обозначен) к эмиттер-базовому переходу силового транзистора 5. Последователь иая КС-цепочка 8 включена параллельнообмотке 4 обратной связи накопительного дросселя 1. Вспомогательныйтранзисторный ключ 7 включен параллельно эмиттер-базовому переходу силового транзистора 5. Вход резистивного делителя 12-13 напряжения подключен к выходу вспомогательного блока 14 выпрямления и сглаживания, авыход - к одному иэ входов компаратора 11Другой вход компаратора 11соединен с выводами конденсатора 11последовательной НС-цепочки 8, а выход через блок 15 временной задержки - с цепью управления вспомогательного транзисторного ключа 7. Выход 1 О блока 20 обратной связи включен параллельно выходу реэистивного делителя 12-13 напряжения, между входнымпотенциальным выводом которого иклеммой 22 включен блок 21 первона чального запуска Первый вход блока16 Формирования запускающих импульсов (вход нуль-органа 19) соединен свыводами обмотки 4 обратной связи накопительного дросселя 1, второй вход 20 (вход инвертора 18) - с выходом блока15 временной задержки, а выход (выходэлемента 17 И) - с цепью управлениясилового транзистора 5. В блоке 16формирования запускающих импульсоввыходы нуль-органа 19 и .инвертора 18подключены к входам элемента 17 И.Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии конденсаторы 30 фильтров выпрямителей 6, 14 и НС-цепочек 8, 21 разряжены. Процесс включения преобразователя напряженияосуществляется подачей постоянногонапряжения П питания между клеммой 35 22 и шиной нулевого потенциала. Поддействием постоянного напряжения П)происходит заряд конденсаторов блока21 первоначального запуска и вспомогательного блока 14 выпрямления и 40 сглаживания. Напряжением с фильтраблока 14 эапитываются компаратор 11,блок 15 временной задержки, блок 16формирования запускающих импульсов. 5 В начальный момент времени конденсатор 10 КС-цепочки 8 разряжен и поэтому на инвертирующем входе компаратора 11 присутствует потенциал,равный нулю. На неинвертирующий вход50 компаратора 11 подается положительныйпотенциал с выхода резистивного делителя 12-13 напряжения, При этом навыходе компаратора 11 появляется сигнал высокого уровня, который поступа 55 ет на вход блока 15 временной задержки (сигнал высокого уровня на входеили выходе логического элемента считается единичным, а сигнал низкогоуровня - нулевым),06 порциоцальцое входному в соответствиис выбранным коэффициентом трансформации. Напряжение, наведенное на выходной обмотке 3, имеет полярность, обратную проводимости силового выпрямителя 6 и не поступает на выход устройства,Под действием напряжения, наведенного в обмотке 4 обратной связи дросселя 1, дозаряжается конденсаторфильтра выпрямителя 14, заряжаетсяконденсатор 10 последовательной КСцепочки 8, дополнительно подаетсяток в базовую цепь силового транзистора .5, а нуль-орган 19 переключаетсяв нулевое состояние по выходу. На выходе логического элемента 17 И появляется нулевой сигнал и, соответственно, прекращается запускающий токс выхода блока 16 Формирования запускающих импульсов в базовую цепь силового транзистора 5. Однако последнийпродолжает надежно удерживаться в открытом состоянии сигналом с обмотки4 обратной связи дросселя 1, Такимобразом, блок 16 Формирования запускающих импульсов формирует узкий импульс тока, который заканчивается вмомент полного открывания силовоготранзистора 5.На этапе подключения входной обмотки 2 дросселя 1 к первичному источнику питания в ней линейно нарастает ток и пропорционально квадратутока запасается электромагнитная энергия, Одновременно на конденсаторе 10КС-цепочки 8 линейно возрастает напряжение с темпом, определяемым параметрами этой цепи, Данноиу состояниюустройства соответствует "режим накопления".Когда напряжение на конденсаторе10 КС-цепочки 18 сравняется, а затеми превзойдет напряжение на среднейточке резистивного делителя 12-13,компаратор 11 переключится в состояние с нулевым сигналом на выходе. Припоявлении на входе блока 15 временнойзадержки сигнала нулевого уровня наего выходе сразу появляется единичный сигнал. Этим сигналом открывается вспомогательный транзисторный ключ7, его выходом шунтируется базоваяцепь силового транзистора 5, и последний начинает форсированно закрываться.Параметры КС-цепочки 8 выбранытаким образом, что за время нарастания напряжения на конденсаторе 10 до 3 12839Блок 15 временной задержки выполнен таким образом, что при появлениина его входе единичного сигнала навыходе нулевой сигнал появляется цесразу, а спустя некоторое время, определяемое параметрами элементов,составляющих временную задержку, Приподаче на вход блока 15 временной задержки нулевого сигнала на выходе вырабатывается единичный сигнал без Овыдержки времени. Таким образом, припоявлении единичного сигнала на входеблока 15 временной задержки на еговыходе присутствует единичный сигналв течение длительности задержки, Этим 5сигналом открыт вспомогательный транзисторный ключ 7. Выходной цепью ключа 7 зашунтирована базовая цепь силового транзистора 5, и последний надежно закрыт. 20Одновременно единичный сигнал свыхода блока 15 временной задержкиподается на вход инвертора 18 блока16 Формирования запускающих импульсови преобразуется в нулевой сигнал наего выходе. Далее нулевой сигнал по. ступает на первый вход элемента 17 Ии устанавливает последний в нулевоесостояние по выходу, Выходная цепьэлемента 17 И является выходом блока 3016 и поэтому на входе силового транзистора 5 отсутствует импульс запуска,Через небольшой интервал временина выходе блока 15 временной задержки 35появляется нулевой сигнал. Этим сигналом закрывается вспомогательныйтранзисторный ключ 7. Одновременнонулевой сигнал с выхода блока 15 подается на вход инвертора 18, а с его 40выхода единичный сигнал поступает на. первый вход элемента 17 И. На выходеэлемента 17 И появляется единичныйсигнал, так как на его втором входеприсутствует единичный сигнал с выхода нуль-органа 19, а на входе последнего - нулевой сигнал с выхода обмотки 4 обратной связи дросселя 1Под действием единичного сигнала навыходе блока 16 Формирования запускающих импульсов в базовую цепь силового транзистора 5 течет запускающийток и последний открывается. В результате к входной обмотке 2 дросселя1 прикладывается постоянное входное 55напряжение и ток в этой обмотке начинает линейно возрастать, При этомна обмотках выходной 3 и обратнойсвязи 4 наводится напряжение, про 15 128момента переключения компаратора 11ток во входной обмотке 2 не достигает значения насыщения для дросселяи не превысит безопасное значениеколлекторного тока силового транзистора 5,При запирании силового транзистора5 накопленная во входной обмотке 2дросселя 1 энергия электромагнитногополя передается через выходную обмотку 3 на выход устройства в виде импульса тока через выпрямительный диодв фильтрующий конденсатор блока 6 ив нагрузку. При этом полярность напряжения на обмотках дросселя 1 меняет свой знак, Данному состоянию устройства соответствует "режим потребления".В начальный момент включения устройства конденсатор силового фильтрав блоке 6 разряжен до нуля. Поэтомупри переходе устройства в режим потребления выходная обмотка 3 дросселя1 оказывается закороченной на данныйконденсатор. В результате наведенноев обмотке обратной связи 4 напряжениеимеет малую величину и нуль-орган 19переключается в единичное состояниепо выходу, подготавливая блок 16 Аормирования запускающих импульсов к последующему включению.Единичным сигналом с выхода блока15 временной задержки надежно закрытсиловой транзистор 5 и блокированблок 16 запускающих импульсов, причемпервый - по цепи через вспомогательный транзисторный ключ 7, а второй -через инвертор 18. На этом этапе ра. боты устройства конденсатор 10 НСцепочки 8 разряжается. Через определенное время единичный сигнал навыходе блока 15 временной задержкисменяется нулевым, вспомогательныйключ закрывается, а на выходе устройства блока 16 формирования запускающих импульсов появляется единичныйсигнал. Силовой транзистор 5 открывается, и вновь начинается режим накопления,Режимы накопления и потребленияпериодически повторяются и через некоторое время силовой конденсатор вблоке 6 заряжается до уровня заданного значения выходного напряжения НПри этом на обмотке обратной связи 4дросселя 1 устанавливается номинальный уровень напряжения как в режименакопления, так и в режиме потребления. Этим напряжением заряжается и разряжается конденсатор 10 НС-цепочки 8, определяя величину порции энергии, накапливаемой в дросселе 1 и отдаваемой в нагрузку. На данном этапе работы устройства в режиме потребления ка обмотке обратной связи 4 дросселянаводится напряжение отрицательнойполярности, которым надежно запирается силовой транзистор 5 по цепи базы.10 Кроме того, на выходе нуль-органа 19появляется нулевой сигнал. Этим сигналом блокируется блок 16 Формирования запускающих импульсов, Поэтому срабатывание временной задержки при водит только к запиранию вспомогательного транзисторного ключа 7.Переход к режиму накопления от режима потребления происходит в момент полного окончания передачи энергии из 20 входной обмотки 2 дросселя 1 в цепьнагрузки. В этот момент наведенное в обмотках выходной 3 и обратной связи 4 напряжение становится равным нулю, На выходе нуль-органа 19 появля ется единичный сигнал, под действиемкоторого формируется запускающий импульс на отпирание силового транзистора 5, переводящий устройство в режим накопления. В момент установления на нагрузкепреобразователя напряжения номинального напряжения вступает в работу блок 20 обрабной связи, При превышении напряжения Б, над номинальным на выходе дифференциального усилителя блока 20 обратной связи появляется сигнал, который приоткрывает выходной транзистор оптопары. Транзистор опто- ,10 пары начинает шунтировать резистор13. Напряжение на средней точке делителя 12-13 и соответственно на неинвертирующем входе компаратора 11 уменьшается, При этом переключение компаратора 11 в нулевое состояние по выходу происходит при меньшем напряжении на конденсаторе 10 НС-цепочки 8, Это вызывает уменьшение времени открытого состояния силового транзистора 5 и уменьшение энергии, запасаемой в дросселе 1 в режиме накопления и отдаваемой в нагрузку в режиме потребления. В результате преобразователь напряжения переходит в установившийся режим стабилизации выходного напряжения, при котором количество передаваемой с входа на выход энергии равно энергии, потребляемой в нагрузке.7 1283Рассмотрим работу преобразователя напряжения при пульсирующей нагрузке.Предположим, что преобразователь напряжения работает с малым нагруэочным током 1 р (сма Лиг.2,0 ) В этОм режиме частота и период Т переключений силового транзистора 5 в основном определяется длительностью временной задержкиблока 15 и неэначительно превышает частоту переклю чений силового транзистора 5 при номинальном нагрузочном токе 1, Во входной 2 и выходной 3 обмотках дросселя 1 протекают токи 1 (фиг.1, О) и 1 (Лиг.2,6 ), а на выходах бло .ка 15 временной задержки и блока 16 формирования запускающих импульсов имеют место сигналы П,5 (фиг.2,ь ) и У, (фиг,2, ). При наложении нагрузки на выходе преобразователя напря-, 20 жение несколько уменьшается. Блок 20 обратной связи реагирует на это изменение пропорциональным уменьшением степени открывания выходного транзистора оптопары, соответственно увели чивается напряжение на резисторе 13. В результате .практически беэ задержки преобразователь напряжения начинает передавать с входа на выход импульсы тока большей продолжительности 30 .и амплитуды и форсированно скомпенсирует увеличение нагрузки на выходе. При снятии нагрузки процесс происходит в обратном порядке и также практически беэ задержки, Таким образом, данный преобразователь напряжения обеспечивает уменьшенные пульсации в У, т.е. более качественную стабилизацию П ы при пульсирующей нагрузке. 40Ограничение частоты переключенийсилового транзистора 5 при малых нагрузках на выходе преобразователя напряжения позволяет существенно снизить динамические потери в силовомтранзисторе 5 и повысить КГЩ устройства. Кроме того, наличие временнойзадержки обеспечивает надежный запуск устройства при первоначальном 50включении, когда выходной фильтр,практически "наглухо закорачиваетвыходную обмотку 3 дросселя 1 и обмотку 4 обратной связи в режиме потребления,55Введение в преобразователь напряжения блока 16 запускающих импульсов вместо применяющейся обычно реэистив 906 8ной цепи смещения также обеспечивает повышение КЩ преобразователя напряжения эа счет формирования узких (длительностью 5-15 мкс) импул; сов отпирания силового транзистора 5.формула изобретения1. Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, коллектор которого через входную обмотку накопительного дросселя соединен с клеммой для подключения потенциального вывода первичного источника питания, а эмиттер подключен к шине нулевого потенциала, силовой выпрямитель, вход которого соединен с выходной обмоткой накопительного дросселя, блок обратной связи, выполненный по схеме дифференциального усилителя с оптронным выходом, и силовой фильтр, входы которых подключены к выходу силового выпрямителя, соединенному с клеммами для подключения нагрузки, вспомогательный блок выпрямления и сглаживания, вход которого соединен с обмоткой обратной связи накопительного, дросселя, подключенной через балластный резистор к эмиттер-базовому переходу силового транзистора, последовательную КС-цепочку, включенную параллельно обмотке обратной связи накопительного дросселя, вспомогательный транзисторный ключ, включенный параллельно змиттер-базовому переходу силового транзистора, блок первоначального запуска, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения КГЩ и качества стабилизации выходного напряжения при пульсирующей нагрузке, в него введены компаратор, реэистивный делитель напряжения, блок временной задержки и блок формирования запускающих импульсов, причем вход резистивного делителя напряжения подключен к выходу вспомогательного блока выпрямления и сглаживания, а выход - к одному иэ входов компаратора, другой вход компаратора соединен с выводами конденсатора последовательной ЙС-цепочки, а выход через блок временной задержки - с цепью управления вспомогательного транзисторного ключа, выход блока обратной связи включен параллельно выходу реэистивного делителя напряжения, между входным потенциальным выводом которого и клеммой для подключения потенТираж 661 Подосударственного комитета СССРлам изобретений и открытийсква, Ж, Раушская наб., д. Зак н/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектна циального вывода первичного источникапитания включен блок первоначальногозапуска, первый вход блока формирования запускающих импульсов соединенс выводами обмотки обратной связи накопительного дросселя, второй вход -с выходом блока временной задержки,а выход - с цепью управления силовоготранзистора. 83906 102, Преобразователь по п,1, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что блок формирования запускающих импульсов содержит элемент И, выход которого является выходом блока, нуль-орган и инвертор, выходы которых подключены к входам элемента И, а выходы являются соответственно первым и вторым входами блока,