Преобразователь постоянного напряжения в постоянное

(504 Н 02 М 3/3 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ етический инс 17,0381 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ,.801367112 устройствах электропитания, Цель -повышение надежности путем упрощениясхемы преобразователя. Устройствосодержит регулирующий ключ, включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора,и две ячейки,Каждая из ячеек образована разделительным конденсатором и замкнутойцепью, состоящей из последовательносоединенных диода, вторичной обмоткитрансформатора и нагрузки, шунтированной конденсатором фильтра, Дополнительная обмотка включена между точками соединения разделительного кон-денсатора с вторичной обмоткой второй ячейки и точкой соединения диода инагрузки этой же ячейки. В данномрешении уменьшено количество обмоток,обтекаемых током. 3 з,п. ф-лы, 4 ил.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания систем радиотехники автоматики и вычислительной техники.Целью изобретения является новышение надежности путем упрощения схемы преобразователя.На фиг. изображена электрическая система преобразователя постоянного напряжения в постоянное двуполярное; на фиг,2 - преобразователь (параллельно с одним из диодов установлен вспомогательный управляемый ключ); на фиг,3 - трансформатор (содержит вспомогательную обработку и последовательно с вспомогательным ключом установлена первичная обмотка дополнительно введенного индуктивного элемента ); на фиг,4 - преобразователь (дополнительно содержит задающий генератор, формирователь сигнала управления регулирующего ключа, усилитель обратной связи с резистивным делителем и источником опорного напряжения, а также токозадающий двухполюсных, хронирующий конденсатор, фиксирующие диоды и компаратор с согласующей цепью).Преобразователь постоянного напряжения в постоянное двухполярное состоит из регулирующего ключа в виде двухполярного и-р-и-транзистора 1, трансформатора 2 с первичной 3, второй 4, третьей 5, четвертой 6 и пятой 7 обмотками, первого 8 и второго 9 разделительных конденсаторов, первого 1 О и второго 11 диодов, конденсаторов 12 и 13 фильтра, подключенных к выходным выводам, вспомогательного управляемого ключа 14 в видр биполярного п-р-и-транзистора, обратного диода 15, индуктивного элемента 16, с первичной 17 и вторичной 18 обмотками, блокирующего диода 19, резистора 20 в цепи базы вспомогательного управляемого ключа 14, а также задающего генератора 21, формирователя 22 сигнала управления регулирующего ключа, согласующей цепи 23, компаратора 24, усилителя 25 обратной связи, источника 26 опорного напряжения, резистивного делителя (27,28) напряжения, токо- задающего двухполюсника в виде резис тора 29, хронирующего конденсатора 30, фиксирующих диодов 31 и 32 и разрядного резистора 33. 5 1 О 20 25 30 35 40 45 50 Работа преобразователя напряжения (фиг.1) в установившемся режимепри непрерывном изменении магнитногопотока в сердечнике трансформатора2 и равенстве витков обмоток 4 - 6сводится к следующему,Во включенном состоянии регулирующего ключа 1 на всех обмотках трансформатора возникает ЭЛС самоиндук- .ции с положительным потенциалом наначалах соответствующих обмоток относительно их концов, Поскольку разделительные конденсаторы 8 и 9 в установившемся режиме работы заряжены сполярностью, указанной на фиг1, товключение регулирующего ключа 1приводит к запиранию диодов 10 и 11,На этом интервале работы ток нагрузки протекает через обмотку 6 внаправлении от конца к началу обмотки, разделительный конденсатор 9(от отрицательной обкладки к положительной) и обмотку 4, а ток нагрузки другой полярности замыкается через обмотку 5, разделительный конденсатор 8 в направлении от отрицательной обкладки к положительной иобмотку 6 (от начала к концу).В каждом из рассмотренных контуров протекания токов напряженияна обмотке 6 направлено встречнонапряжению на обмотках 4 и 5, а токобмотки 6 равен разности токов вобмотках 4 и 5, Основным поставщикомэнергии в нагрузке на указанном этапе работы являются соответствующиеразделительные конденсаторы и конденсаторы фильтра.Разряд конденсаторов определяетналичие пульсаций выходного напряжения, Однако учет неидеальности трансформатора, обусловленной наличием потоков рассеяния между обмотками 4 -6 и выбор соответствующих коэффициентов связи между обмотками, позволяет практически свести к нулю пульсации напряжения на нагрузке, Послевыключения регулирующего ключа 1полярности ЭДС на всех обмотках транзистора изменяются на противоположные, что приводит к отпиранию диодов10 и 11,При этом энергия, запасенная в магнитном поле сердечника трансформатора на предыдущем этапе работы, вызывает появление токов намагничивания в обмотках 4 - 6, протекающихво всех обмотках в одном и том женаправлении - от начала обмотки кконцу. Ток обмотки 4, замыкаясь через нагрузку и диод 10, обеспечиваетпередачу энергии в нагрузку и заряд5конденсатора 12 фильтра, ток обмотки6замыкаясь через диод 11 и нагрузку, обеспечивает передачу энергии внагрузку и заряд конденсатора 13фильтра, Одновременно ток обмотки 6,замыкаясь через диод 10 и разделительный конденсатор 9восполняетпотери энергии в указанном конденсаторе на предыдущем этапе работы. 15Аналогично этому ток обмотки 5, замы.каясь через диод 11 и конденсатор 8,восполняет потери энергии в последнем,Определим регулировочную характеристику предлагаемого преобразователя в предположении идеальности всехэлементов и равенстве витков обмоток4 - 6 трансформатора. Обозначим через и отношение чисел витков указанных обмоток к числу витков первичнойобмотки и предположим преобразовательидеальным, Тогда на каждой из обмотокво время проводящего состояния реГулирующего ключа действует напряжение, ЗОравное по величине пЕ, где Е - напряжение входного источника,Когда регулирующий ключ разомкнут.,напряжения на обмотках имеют противоположную полярность и равны по абсо 35лютной величине следующим величинам;1 121 5 9 И 5 8 энапряжение на элементеПосколькунапряжения на всех обмотках равнывследствие равенства числа витков,а Б, и Б соответственно определяют абсолютйые значения напряженийна нагрузках, то для определениярегулировочной характеристики достаточно найти значение среднего напряжения на любом из разделительныхконденсаторов, Это можно сделать,приравняв вольтсекундные площади налюбой из обмоток на этапах включенного и выключенного состояния регули рующего ключа 1, Если обозначить черезотносительную к периоду Т переключения длительность проводящего состояния ключа 1, то получаем55П 12 П 1 ь пЕ У 1 (1-) ф 111 тс=П 3 с =и Е 7/(1-У),где У П , - сравнение напряженияна конденсаторах 12 и 13,Полярности найденных напряженийпротивоположны относительно общеговыходного вывода.Рассмотренный режим работы и найденные регулировочные характеристики справедливы при непрерывном изменении магнитного потока в сердечникетрансформатора 2При холостом ходепреобразователь, представленный нафиг,1, не работоспособен.Для обеспечения работоспособности при малых токах нагрузки в преобразователе, изображенном на фиг2,параллельно диоду 11 установлен вспомогательный управляемый ключ 14 ивстречно-параллельно ключу 1 включенобратный диод 15, При этом ключи 1и 14 управляются синхронно ипротивофазно так, что во включенном состоянии ключа 1 вспомогательный ключ14 выключен и наоборот.Тогда при нулевых токах и в нагрузках в первую половину промежуткавремени у Т ток в первичной обмотке3 трансформатора 2 имеет отрицательноенаправление (вытекает из начала обмотки) и замыкается через обратный диод 15, а во вторую половину - черезрегулирующий ключ 1,В выключенном состоянии итюча 1ток в обмотке 5 в первую половинупромежутка времени (1-у)Т имеет положительное направление (втекает в начало обмотки) и замыкается черездиод 11, а во вторую половину - через включенный вспомогательный ключ14, При этом обеспечивается режимнепрерывного изменения магнитногопотока в сердечнике трансформатора2, который перемагничивается по симметричному частному циклу. Средниезначения напряжений на конденсато-.,рах в этом случае определяются также, как при работе в нормальном режиме.Для управления вспомогательнымключом 14 преобразователь, приведенный на фиг,3, имеет пятую обмотку7, которая через последовательновключенный с ней ограничивающий резистор 20 подключена к управляющему входу ключа,Фазировка подключения обмотки 7выбрана такой, что во включенномсостоянии регулирующего ключа 1 ключ14 автоматически находится в выключенном состоянии, При каждом очередном. включении регулирующего ключа 1ключ 14 находится в проводящем состоянии и запирание его осуществляется только после включения ключа 1, Вследствие инерционности ключа 14 через него в момент включения регулирующего ключа 1 .могут протекать неконтролируемо большие токиДля их ограничения в преобразователе (фиг.3) последовательно с ключом 14 включена 10 первичная обмотка 17 индуктивного элемента 16, ограничивающая рост тока в момент переключенияПосле выключения ключа 14 накопленная в сердечнике магнитного элемента 16 энер гия рекуперируется в конденсатор 9 по обмотке 18 через открывающийся. блокирующий диод 19Для стабилизации выходных напряжений преобразователь, представленный 20 на фиг,4, дополнительно содержит элементы, обеспечивающие работу в режиме широтно-импульсного регулирования при постоянной частоте коммутации. Принцип его работы состоит в следующем, Если на выходе формирователя 22 установлен низкий потенциал, то регулирующий ключ 1 выключен, а диоды 10 и 11 находятся в проводящем состоянии, Если за нулевой принять З 0 потенциал конца обмотки 5, то на начале этой обмотки, связанном с разрядным резистором 33 действует отрицательное напряжение, равное по вели-: чине пЕ у(1-у), а в точке соединения токозадающего резистора 29 и диода 10 такое же по величине, но положительное напряжение, Если сопротивления резисторов 33 и 29 выбраны так, что ток, протекающий по первому из 40 них, больше тока, протекающего по второму, то открывается фиксирующий диод 32, через который замыкается разность указанных токов, При этом напряжение на хронирующем конденсато ре 30 равно нулю, а компаратор 24 должен находиться в таком состоянии, чтобы отсутствовал сигнал, воздействующий на второй вход формирователя 22Работа вспомогательного ключа 14 осу ществляется так, как это описано. При возникновении управляющего сигнала на выходе задающего генератора 21 формирователь 22 переводится в состояние, при котором регулирующий 55 ключ 1 включается, что приводит к изменению полярности напряжения на всех обмотках трансформатора 2, Из" менение полярности на обмотке 5 приводит к запиранию диодов 31 и 32схемы фиксации, и хронирующий конденсатор 30 заряжается через резистор 29. Когда напряжение на конденсаторе 30 равно выходному напряжениюусилителя 25 обратной связи, установленному на первом входе компаратора24, на выходе последнего формируется сигнал, который через согласующую цепь воздействует на второйвход формирователя 22 и переводит егов состояние, при котором регулирующий ключ 1 выключается,Будем считать, что изменение напряжения на хронирующем конденсаторе30 существенно меньше напряжения,действующего в зарядной цепи. Этопоследнее определяется суммой напряжений на конденсаторах 8 и 9 и напряжением на обмотке 5. Поскольку напряжения на конденсаторах равны, а напряжение на обмотке 5 равно пЕ, тоток заряда конденсатора 30 можно определить выражением 1 =(пЕ+211)/Кгде К - сопротивление резистора 29Поэтому у= ЕОСК /Т(пЕ+2 У), гдеЕ, - выходное напряжение усилителя25, а С - емкость хронирующего конденсатора 30,Если подставить найденное значение в выражение регулировочной характеристики, продифференцироватьполученное соотношение по Е и приравнять производную нулю, получимсоотношение, которое необходимо учитывать при реализации схемы управления 2 Бнп = ЕСК /Т. При этом цепь,состоящая из токозадающего двухполюсника и хронирующего конденсатора,обеспечивает стабилизацию выходныхнапряжений при изменениях входногонапряжения и непосредственно реагирует на изменения последнего, аусилитель обратной связи осуществляет обработку относительно небольшихизменений выходных напряжений, обусловленных изменением токов нагрузоки параметров, входящих в приведенныевыше соотношения. Таким образом, предлагаемый преобразователь имеет лишь три обмотки на вторичной стороне, следствием чего является упрощение преобразователя и увеличение коэффициента полезного действия, так как уменьшается количество обмоток, обтекаемых током, а на первом этапе работы приравных токах нагрузки ток в обмотке6 равен нулю. Формула изобретения 2. Преобразователь по п,1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что параллельно с одним из диодов установлен вспомогательный управляемый ключ с цепями управления, обеспечивающими его синхронно-противофазную работу с регулирующим ключом, встречно-параллельно которому включен обратный диод,40 45 1, Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с 10 регулирующим ключом между входными выводами, вторая и третья обмотки трансформатора присоединены первыми выводами к крайним выходным выводам, соединенным между собой через два 15 конденсатора фильтра, общая точка которых подключена к среднему выходному выводу, присоединенному к первым выводам первого диода и четвертой обмотке трансформатора, второй вывод 20 которого соединен через первый разделительный конденсатор с вторым выводом третьей обмотки, второй разделительный конденсатор, подключенный первым выводом ко второму выводу первого диода, второй диод и блок управления, о т л и ч а ю щ и й с я тем, чтос целью повышения надежности путем упрощения схемы преобразователя, -второй вывод второго разделитель- З 0 ного конденсатора подключен к второму выводу второй обмотки, а второй диод включен между первым и вторым выводами соответственно третьей и четвертой обмоток, 35 3. Преобразователь по п,2, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что цепи управления выполнены в виде пятой обмотки трансформатора, подключенной через резистор к управляющему входу вспомогательного управляемого ключа, последовательно в силовую цепь которого включена первичная обмотка введенного индуктивного эЛемента, вторичная обмотка которого через блокирующий диод подключена к выводам одного из разделительных конденсаторов4, Преобразователь по пп,1 - 3, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что блок управления состоит из задающего генератора, выход которого подключен к первому входу формирователя сигнала управления, выход которого присоединен к управляющему входу регулирующего ключа, а второй вход соединен через согласующую цепь с выходом компаратора, первый вход которого нодключен к выходу усилителя обратной связи, а второй вход - к точке соединения хронирующего конденсатора, шунтированного цепью из двух фиксирующих диодов, включенных встречно- последовательно, и токостабилизирующего двухполюсника, второй вывод которого подсоединен к первому выводу второго разделительного конденсатора, резистивного делителя напряжения, включенного между крайними выходными выводами, средняя точка которого подключена к первому входу усилителя обратной связи, второй вход которого присоединен к источнику опорного нап ряжения, при этом второй вывод хронирующего конденсатора подключен к первому выводу третьей обмотки трансформатора, а средняя точка цепи из двух фиксирующих диодов соединена через разрядный резистор с вторым выводом третьей обмотки трансформатора.1367112 оставитель В.Ежо ехред И.Ходанич Редактор Т,Парфенов Пилипен ектор Заказ 6849/5 1303 Проиэводственчо-полиграфическое предприятие, г од, ул,Проектная,4 Тираж ПИ Государ по делам и осква, ЖПодписноекомитета СССРи открытийая наб., д,4/5 венного бретени Раушск