Способ импульсной стабилизации двухтактного статического преобразователя постоянного напряжения

СОЮЗ ССВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 19) 111) СЮ 4 С Н 02 М 3 337 ГОСУДАРСТВЕПО ИЗОБРЕТЕНПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗОБРЕТ АВТОРСКОМ(54) СПОСОБ ИМПУЛЪСНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИДБУХТАКТНОГО СТАТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ(22) Ф 27 88.8) тельство СССР 1/46,льной вано в льства СССР 1/00, 1978,диоэле етени ф(72) (53) (56)89 Н 02 У 94 4313625/24-0724.08.8723.07,89. Бюл,В.Н.Скачко621.316.722.1(0Авторское свиде610, кл. С 05 РМ 3/335, 1979.тарское свидете968, кл. С 05 Р ретение относится к электро- в частности к преобразоваехнике. Может быть испольсистемах электропитания раонной аппаратуры, Цель изобповышение КПД и улучшение3 1495767 динамических. характеристик в услови-, ях всплесков и провалов напряжения первичной сети при низком его значении. Транзисторы преобразователя 45 напряжения включают в заданный мо" мент времени, определяемый напряжением от задающего генератора (ЗГ) 1. Прямоугольное опорное напряжение источника 13 и пилообразное напряжение Формирователя 16, пропорциональное измеренному напряжению, являются двухполярными относительно одной из шин питания. При превышении по абсолютному значению амплитуды пилооб разного напряжения над опорным формируют запрет на дальнейшую работу со-.ответствующего транзистора преобразователя 4 с помощью модулятора 19.Формирование опорного напряжениявозобновляется в момент очереднойсмены полупериода ЗГ 1, КПД повышается за счет работы источника 13 напеременном токе и выключения его вовремя пауз, а также за счет применения пассивной схемы модулятора 19,Амплитуда пилообразного напряженияопределяется напряжением первичнойсети, что улучшает динамические характеристики преобразователя 4.1 з,п ф лы 3 илИзобретение относится к электротехнике, в частности к преобразованиюи стабилизации параметров электрической энергии, и может быть использовано в системах электропитания радиоэлектронной аппаратуры при необходимости получения постоянных стабилизированных напряжений из более низких постоянных нестабилизированных напряжений при предъявленииповышенных требований к коэффициенту полезного действия.Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия и улучшение динамических характеристик 35 в условиях всплесков и провалов напряжения первичной сети при низком его значении.На фиг.1 представлена схема устрой-. ства для реализации способа ймпульс ной стабилизации двухтактного преобразователя напряжения; на фиг.2- то же, для стабилизации напряжения или тока нагрузки 1 на фиг 3 эпюры в характерных точках схемы. 45 Устройство для осуществления .предложенного способа содержит задаю. щий генератор 1, первый и второй логические элементы 2 И-НЕ 2 и 3, преоб 50 разователь 4 с транзисторами 5 и 6 и выходным трансформатором 7, имеющим первичную обмотку 8, вторичную обмотку 9 и служебную обмотку 10, выпрямитель 11, фильтр 12, источник 13 двухполярного опорного напряжения с двуханодным стабилитроном 14 и резис-. .тором 15 формирователь 16 пилообраз" ного напряжения, выполненный в виде КС-цепи с конденсатором 17 и резистором 18, двухтактный широтно-импульсный модулятор 19 с р-и-р транзистором 20 и и-р-и транзистором21, переменным резистором 22 и резисторами 23 и 24, инвертирующий формирователь 25 импульсов на транзисторе 26 и неинвертирующий формирователь 27 импульсов на транзисторах 28и 29. Устройство по фиг,2 содержит также, узел 30 обратной связи,оптронный резистор 31 с резистором 18 (в этом случае Фоторезистор) и фотодиодом 32, а также резистор 33,Первые входы логических элементов 2 И-НЕ 2 и 3 подключены соответственно к противофазным выходам задающего генератора 1, а вторые входы - соответственно к выходам Формирователей 25 и 27 импульсов, Выходы логических элементов подключены.к управляющим входам транзисторов 5 и 6 преобразователя 4. Вторичная обмотка 9 трансформатора 7 через выпрямитель 11 и фильтр 12 подключена к нагрузке непос редственно (Фиг,1), а при стабилизации напряжения или тока нагрузки (фиг.2) - через узел 30 обратной связи, на который подается также эталон" ное значение стабилизируемого параметра, Выходы широтно-импульсного модулятора 19, которыми являются коллекторы транзисторов 20 и 21, подключены к входам инвертирующего 25 и неинвертирующего 27 формирователей импульсов. Первый вход широтно-импульсного модулятора 19, являющийся подвижньы вью957676 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 5 14 водом переменного резистора 22, крайние выводы которого подключены к эмиттерам транзисторов 20 и 21 через резисторы 23 и 24, подключен к выходу источника 13 двухполярного опор. ного напряйния. Входы формирователя 16 пилообразного напряжения и источника 13 опорного напряжения подключены к служебной обмотке 10 транс. форматора 7. В случае стабилизации напряжения или тока нагрузки (фиг2) в качестве резистора 18 используется фоторезистор 31 оптрона, светодиод 32 которого через резистор 33 подключен к выходу узла 30 обратной связи.Работа устройства для случая, когда напряжение первичной сети равно или несколько ниже напряжения ста билиэации, осуществляется следующим , образом.Задающий генераторвырабатывает прямоугольные импульсы, сдвинутые между собой на обоих выходах на 180 , в силу чего на оба логических элемента 2 И-НЕ 2 и 3 подаются единицы от задающего генератора 1 по переменно (диаграммы 34 и 35). На других входах логических элементов 2 И-НЕ 2 и 3 постоянно присутствует напряжение питания (логическая единица) и потому на выходах логических элементов 2 И-НЕ 2 и 3 синхронно с единицами задающего генератора 1 появляются нули, от которых приводят-, ся в действие транзисторы 5 и 6 преобразователя 4. На вторичной обмотке 9 его трансформатора 7 возникают прямоугольные импульсы, повторяющие форму напряжения задающего генератора 1.В режиме стабкпизации, наступающем при повышении входного напряжения в постоянном напряжении на двух входах логических элементов 2 И-НЕ 2 и 3 формируются вырезы (нули). При этом идут следующие процессы: с обмотки 1 0 трансформатора 7 прямоугольное (формы леандр" или широтно-модулированное) напряжение через резистор 15 прикладывается к двуханодному стабилитрону 34 источника 13 опорного напряжония,на котором возникает двухполярное напряжение 36, стабилизированное по амплитуде .(при любой полярности), Конденса тор 17 КС-цепи .формирователя 16 пилообразного напряжения в каждом полу- периоде заряжается, стремясь достигнуть напряжения. обмотки 10, но ел достигаег его, так как постоянная времени заряда этого конденсатора выбирается больше половины периода прямоугольного напряжения задающего генератора 1. При смене полупериода происходит переразряд конденсатора 17 н напряжение на нем стремится тоже до напряжения обмотки 10 но уже противоположной полярности. Если напряжение на стабилитроне 14 сразу же принимаетполярность напряжения обмотки 10, то напряжение на конденФсаторе 17 (37) может сравняться с напряженнем стабилитрона 14 с запаздыванием в каждом полупериоде (диаграммы 36 и 37).При дальнейшем нарастании напряжения на конденсаторе 17 открывается транзистор 20 широтно-импульсного модулятора 19 при положительной полярности напряжения стабилнтрона 14 и конденсатора 17 либо транзистор 21 - при отрицательной, Базовые токи этих транзисторов протекают через резисторы 23 и 24. Появляются импульсы: либо положительные (диаграмма 38) на коллекторе транзистора 20 в одном полупериоде, либо отрицательные (диаграмма 39) на коллекторе транзистора 21 - в другом полупериоде. Длительность этих импульсов определяется соотношением амплитуд напряжений конденсатора 17 и стабилитрона 14. Начинаются эти импульсы (диаграммы 38 и 39) при превышении напряжением конденсатора 17 напряжения стабилитрона 14.При положительной полярности импульсов.(снимаемых с коллектора транзистора 20) открывается транзистор 26 инвертирующего формирователя 25 импульсов и напряжение на его коллекторе снижается до уровня ниже логического нуля, а при отрицательной " закрывается транзистор 28 в нейнвертирующем формирователе 27 импульсов, вследствие чего открывается его транзистор 29 и теперь напряжение логического нуля устанавливается на коллекторе этого транзистора, С этого момента исчезает положительное напряжение единица на втором входе логического элемента 2 И-НЕ 2 нли 3, который подключен к коллектору тран-. зистора 26 или 29, введенного в состояние проводимости (диаграммы 40 и 41)Навыходахлогических элементов 2 И-НЕ 2 и 3 образуется сигнал логической единицы .(диаграммы 42 и 43), и ранее открытый транзистор преобра 5 зователя 4, относящийся к этому элементу 2 И-НЕ, закрывается, В формируемом преобразователем двухполярном напряжении (диаграмма 44) образуется пауза, длящаяся до конца текущего . 10 полупериода задающего генератора 1. На время паузы исчезает опорное напряжение (диаграмма 36), а конденсатор 17 разряжается, стремясь к нулю 15 напряжения, однако вследствие того, что постоянная времени разряда выбирается большей максимально, возможной, дЛительности паузы (не менее 2/3 полупериода) на всем ее протяжении, 20 формирователь 25 импульсов в одном полупериоде или Формирователь 27 импульсов в другом удерживается в том же состоянии, которое он принял в начале паузы. Состояние этих Форми рователей диаграммы 40 и 41) остается неизменным и после смены полу- ,периодов задающего генератора 1 до, тех пор, пока в ходе начавшегося с новым полупериодом задающего генера тора перезаряда (диаграмма 37) не прекратится базовый ток транзистора 26 или транзистора 29. При переходе напряжения конденсатора 1 через нуль импульсы, определившие состояние Формирователей 25 и 27 импульсов на время паузы, заканчиваются.Тем не менееблагодаря логическому умножению напряжений на входах логических элементов 2 И-НЕ 2 и 3 пауза 10 в работе транзисторов 5 и 6 преобразователя 4 длится строго до окончания данного полупериода. Поэтому крутизна переднего фронта отрицательных импульсов на выходе логических элемен-,15 тов 2 И-НЕ определяется только быстродействием этих элементов. Крутизна заднего фронта импульсов также определяется быстродействием логических элементов 2 И-НЕ и транзисторов Форми 50 рователей 25 и 27 импульсов несмотря на сравнение в широтно-импульсном модуляторе 19 при образовании этого фронта относительно медленно нарастаю. щего напряжения с неизменным до кача ла сравнения опорным напряжением. Это объясняется наличием в схеме регенеративного процесса, при котором в са" мой начальной стадии Формирования заднего фронта происходит уменьшениеопорного напряжения, что еще большеувеличивает напряжение на данном выходе широтно-импульсного модулятора,а это влечет за собой еще большее понижение напряжения на выходе данногоформирователя импульсов и в конечномсчете лавинообразное повьппение напряжения на выходе соответствующего логического элемента 2 И-НЕ, выключениеопорного напряжения и закрывание ранее работавшего транзистора преобразователя.Указанные явления обуславливаютне только высокую крутизну фронтовимпульсов, управляющих транзисторамипреобразователя 4, но и идентичность длительностей полупериодовпреобразователя, Начальная установка равенства этих полупериодов производится переменным резистором( потекциометром) 22, которым компенсируются разбросы резисторов 23 и 24, а также входных сопротивлвний формирователей 25 и 27 импульсов и временныххарактеристик переключения транзисторов 5, 6, 26, 28 и 29.С переключением задающего генератора 1 начинается новый полупериод преобразователя 4. Работает противоположный его транзистор, активизируемыйлогическим элементом 2 И-НЕ, не действовавшим в предыдущем пОлупериоде,Конденсатор 17 достигая в процессеперезаряда напряжения стабилитрона14, обуславливает качало паузы втекущем полупериоде - вплоть до егоокончания,Для стабилизации выходного напряжения или тока независимо от тока нагрузки или ее сопротивления служитузел 30 обратной связи, который сравнивает напряжение с датчика стабилизируемого параметра с напряжениемэталонного источника. Узел 30 обратной связи воздействует через резистор33 и светодиод 32 (фиг.2) резисторного оптрона на резистор 18, которыйв этом случае является Фоторезистором 31 оптрона, изменяя постояннуювремени КС-цепи Формирователя 16 пилообразного напряжения - увеличиваяее при уменьшении выходного параметра, или уменьшая при его увеличении. Новый полупериод задающего генератора обуславливает Формирование преобразователем 4 очередного широтномодулированного импульса, соотношениедлительности которого к длительностиполупериода задающего генератора 1определяется уровнем напряжения сети,а при стабилизации напряжения или тока - нагрузки - ее характеристиками.Предложенный способ импульсной,стабилизации двухтактного статического преобразователя постоянного напряжения имеет то преимущество передизвестными, что позволяет повыситькоэффициент полезного действия, причем особенно существенно при малыхмощностях преобразователя, когда мощность, отдаваемая в нагрузку, сравнима с мощностью, используемой стабилизированным преобразователем для собственных нужд. Снижение потребленияэлектрической энергии на собственные 20нужды обеспечивается следующими факторами,Стабилитрон работает на переменном токе и нет потерь на выпрямление.(напряжение сети меньше напряжения 25стабилизации источника опорного напряжения).Во время паузы в работе преобразователя в полупериодах источник опорного напряжения выключается и не потребляет ток.1 Операция сравнения пилообразногои прямоугольного напряжений производится практически без потребленияэнергии, К широтно-импульсному модулятору, выполняющему эту операцию,электрическая энергия от сети не подводится, т.е. схема модулятора пассив"ная, Его транзисторы 20 и 21 работа" 40ют за счет того, что через их переходы идет часть тока КС-цепи, в которой С - емкость конденсатора 17, аК - омическое сопротивление разветвленной цепи, в которую входят резисторы 18,22-24 и входные сопротивленияформирователей 25 и 27 импульсов.Улучшение динамических характеристик в условиях всплесков и проваловнапряжения первичной сети при низком50ее значении обеспечивается эа счеттого, что амплитуда пилообразного напряжения непосредственно определяется напряжением первичной сети, а не взависимости от выходного напряжения,являющегося результатом работы преобразователя после выпрямления и,фильтрации, что свойственно для известного способа,В устройстве это реализовано за счет того, что напряжение служебной обмотки 1 О трансформатора 7 преобразователя 4 линейно зависит от уровня напряжения первиччсй сети, а всякие изменения этого напряжения приводят к изменению амплитуды пилообразного напряжения КС-цепи формирователя 16пилообразного напряжения и, следовательно, к изменению длительности импульсов широтно-импульсного модулятора 19 и преобразователя 4 без временных задержек, возникающих при регулировании с выхода фильтра.При стабилизации напряжения илн тока нагрузки по предложенному способу тоже появляется составляющая регулирования по выходному возмущению (в виде изменения величины резистора самой КС-цепи), но сохраняется и прямая зависимость амплитуды пилообразного напряжения от напряжения первичной сети.Формула изобретения1. Способ импульсной стабилизации двухтактного статического преобразователя постоянного напряжения в постоянное или переменное напряжение на двух транзисторах и с задающим генератором, заключающийся в том, что измеряют входное или/и выходное напряжение, сравнивают его с опорным переменным напряжением, формируют широтно-модулированные сигналы для управления транзисторами двухтактного преобразователя, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения КПД и улучшения динамических характеристик в условиях всплесков и провалов напряжения первичной сети при низком его значении, транзисторы преобразователя включают в заданный момент времени, определяемый напряжением от зада" ющего генератора, укаэанное переменное опорное напряжение и пилообразное напряжение, используемое для формирования указанных широтно-модулированных сигналов, формируют двухполярными относительно одной из шин питания, при этом первое из них - прямоугольной формы, а второе - пропорционально измеряемому напряжению, сравнивают эти напряжения попеременно в обоих полярностях, а для получения указанных широтно-модулированных сигналов1495767 12 фдхОФ в момент прев 1 пчения по абсолютному.значению амплитуды пилообразного напряжения над опорным формируют запретна дальнейшую работу соответствующего 5транзистора преобразователя в данномполупериоде напряжения задающего генератора, отключают опорное напряжение, выявляют-момент смены полупериода и возобновляют Формирование опорно го напряжения в момент очередной смены полупериода с полярностью, противоположной .предшествующему полупериодуа 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й .с я тем, что, с целью стабилизации постоянного напряжения или тока нагрузки, измеренное напряжение навыходе преобразователя выпрямляют, фильтруют, измеряют напряжение на датчике стабилизируемого параметра, сравнивают его с эталонным значением искорос 1 Б нарастания пилообразного напряжения изменяют в,прямопропорциональной зависимоСти от величины от" клонения стабилизируемого параметра относительно эталонного значения.1495767 7Составитель А.Волковадактор В.Данко Техред М.Дидик Корректор В.Гирня Заказ 4265/45 Тираж 788 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5роизводсгвенно-издательский комбинат "Патент"г. Ужгород, ул. Гагарина, 10