Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения

3 СОВЕТСКИХЦИАЛИСТИЧЕСНИХСПУБЛИХ 19) (1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ЕНИЯ ИСАНИЕ ИЗОБ И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ м, что, с цепью повышенияте на импульсную нагрузразователь введен блок реима, входные выводы которос выходными зажимами, аоды - с отрицательным выуправления и другим входным(21) 3409742/24-07 щийся те (22) 23.03.82 КПД при рабо (46) 15.08.83. Вюл, % 30 ку, в преоб (72) В. Ф, Худяков, А. П. Пакидов лейного реж и В.А.Хабузов го соединены (71) Ленинградский институт авиационно- выходные выв го приборостроения водом блока (53) 621,314. 57 (088,8) . зажимом, (56) 1. Авторское свидетельство СССР 2 Преобразователь по и, 1, о т л и- Ж 497691, кл. Н 02 М 3/04, 1974,. ч а ю щ и й с я тем, что блок релейного2. Грибачев А.П. и др. Микроэпектрз- режима выполнен на элементе гальвани- ника - средство оптимизации систем ческой развязки, ключевом элементе н электропитания радиоэлектронной аппара- пороговом элементе, выходные выводы туры, - В кн,: Электронная техника в . которого соединены с входными выводамй автоматике, вып. 10, М., фСоветское элемента гальванической развязки, выход- радио, 1978, с. 24, рис. 2. ные выводы которого соединены с управ- д3. Ромаш Э,М, Транзисторные преоб- ляющими выводами ключевого элемента. разователи в устройствах питания радио. Преобразователь по и. 2, от л и- электронной аппаратуры. М., фЭнергияф, ч а ю щ и й с я тем, что ключевой 1975, с. 125, рис. 3,19, элемент выполнен в-виде треиистора, (54)(57) 1СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ эмиттер которого подключен к отрица- ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЫ 10 СТОЯННОГО НА. телыюмУ входному зажиму и одному из Я ПРЯЖЕНИЯ, содержащий регулируемый" . выходных выводов элемента гальваниинвертор с выходным трансформатором, ческой развязки, база - к другому вывторичная, обмотка которого через выдра- ходному выводу элемента гальванической митель и сглаживающий фильтр подключе- развязки, а коллектор - к отрицательному на к выходным зажимам, блок управце- выводу питания блока управления. ния, у которого управляющие выходы соединены с удравляющими входами ре. Преобразователь по и. 2, о т л нгулируемого инвертора, положительный ч а ю щ и й с я тем, что элемент гальвывод питания - с одноименнйм входной ваннческой: развязки выполнен в виде опзажимом, а выводы обратной связи с тоэлектронайо ключа, а пороговый эле 1 выходными зажимами, о т л и ч а ю - мент - в виде стабилитрона,3 2форматором, вторичная обмотка которого через выпрямитель и сгпаживающий фильтр подкпючена к выходным зажимам, блок управления, у которого управпяющие выходы соединены с управпяющими входами регупируемого инвертора, попожитепьный вывод питания - с одноименным входным зажимом, а выводы обратной связи - с выходными зажимами 3.Недостатком атого устройства является отсутствие обеспечения стабилизации напряжения в режиме холостого хода и при нагрузке импульсного типа с относи= тельно бопьшой скважностью импульсов, дпитепьность паузы между которыми со измерима со временем заряда (разряда) сглаживающего фильтра, При этом, в пау-зах возникает режим, близкий к хопостому ходу, Это объясняется тем, что. при относительно мапых,ипи нулевых токах нагрузки сгпаживающий фипьтр эа время импупьса, поступающего с выпрямителя, накапливает энергию, превышающую по величине анергию, потребляемую нагрузкой за время паузыВ результате выходное напряжение становится равным амппитуде выпрямленных импульсов, а преобразоватепь перестает быть стабипиэиро ванным, Необходимое снижение выходного напряжения эа счет уменьшения угла модуляции до вепичины, близкой к нупевой, при высокой частоте преобразования (свыше 10 кГц) практически недостижимо иэ за ограниченных воэможностей по дна пазону регулирования угла модуляции бпока управпения, а также из-эа напичия угпов коммутации транзисторов регупируемого инвертора. Эти факторы связаны с инерционностью транзисторного ключа нри выходе иэ насыщения, причем дпитепь ность процесса существенно возрастает с уменьшением тока нагрузки, т.е. колпекторного тока, и обусловливают напичие предела в получении минимальных углов модуляции. Поатому нарушается стабилизация выходного напряжения преобразователя при импульсном характере нагрузки ипи в режиме хопостого хода. Укаэанный недостаток обычно устраняелся за счет подключения к выходнымзажимам балпастного сопротивпения, что ведет к снижению КПД преобразоватепя, нес правда иному, завышению его мощности и возрастанию массы и габаритов тепло- отводящей конструкции. 1 103878Изобретение относится к преобразователям, выпопненным на попупроводниковых;приборах с управляющим апектродом, иможет быть нспоньзсвано во вторичныхисточниках питания радиоэлектронной аппаратуры,Известен стабипизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий стабилизатор напряжения, к выходу которого подкпючены поспедоватепьно 10соединенные нерегупируемый инвертор свыходным трансформатором, выпрямительи сгпаживающий фипьтр, а к управпяющему входу нерегупируемого инвертораподсоединен блок управпения. За счетнерегулируемого инвертора практическиискпючено накоппение конденсаторомсгпаживающего фипьтра напряжения, превышающего по величине номинальное, чтопоэвопяет испопьзовать данное устройство р 0при нагрузке импупьсного типа (со сбро-,сом тока нагрузки до нупя) и в режимехопостого хода без нарушения стабипизации выходного напряжения 13.Однако раэдепение функций стабипизации напряжения за счет стабипизатора ипреобразования этого напряжения до тре-буемого уровня с помощью нерегупируемого инвертора существенно снижаетКПД всего устройства в цепом,30Известен также стабилизированныйпреобразоватепь напряжения, содержащийнерегулируемый инвертор с выходнымтрансформатором, вторичная обмотка которого через выпрямитепь и сглаживаю 35щий фильтр подключена ко входу линейного стабилизатора. Блок. управпения соединен с управляющим входом нерегупируемого инвертора. Использование нерегулируемогоо инвертора и линейного стабипизатора позволяет применять данное устройство как при нагрузке импульсноготипа, так и в режиме хопостого хода2Недостаток устройства - низкий КПДсвязан с необходимостью обеспечения напервом этапе требуемого уровня напряжения за счет преобразоватепя, а навтором - стабипиэации этого напряжения.При атом полный ток нагрузки протекаетпо регупирующему элементу (транзистору)50пинейного стабилизатора, на ходящемусяв активном режиме, что приводит к эначитепьным потерям мощности и обусловливает низкий КПД стабилизированногопреобразователя.55Наибопее бпизким к изобретению является преобразователь, содержащий регулируемый инвертор с выходным трансЦель изобретения - повышение КГЩ преобраэоватепя при работе на вмпупьсную нагрузку.Поставленная цель достигается тем, что в стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий рь. гулируемый инвертор с выходным траноформатором, вторичная обмотка которого 5 через выпрямитель и сглаживающий фильтр подключена к выходным зажимам, блок управления, у которого управляющие выходы соединены с управляющими вхоцами , регулируемого инвертора, положительный . 1 О вывод питания - с одноименным входным; зажимом, а выводы обратной связи - с выходными зажимами, введен блок релейного режима, входные выводы которого соединены с выходными зажимами, в вы ходже выводы с отрицательным выводом питания блока управления и другим входным зажимом.При этом блок релейного режима выполнен .на элементе гальванической 20развязки, ключевом элементе и пороговом элементе, выходные выводы которого .соединены с входными выводами элемента гальванической развязки, выходные выводы которого соединены с управляющими выводамн ключевого элемента.Элемент гальванической развязки может быть выполнен в виде оптоэлектронного ключа, а пороговый элемент - в виде стабипитронв. 30Ключевой элемент выполнен в виде транзистора, эмиттер которого подкшочен к отрицательному входному зажиму и од.ному из выходных выводов элемента гальванической развязки, база - к другому 35 выходному выводу элемента гальвавичеокой развязки, а коллектор - к отрицательному выводу питания блока управленияеНа фнг. 1 и 2 представлены приющпи-що альные схемы преалагаемого стабилизированного, преобразователя постоянного напряжения и блока управления; нв фиг. 3временеае диаграммы токов н напряжений предлагаемого устройства. 45На временных анаграммах (фиг. 3)обозначены:0 ) напрйження на выходах выпрямителя 0 и Фильтра О. при номинальной нагрузке; 50о ) напряжения на выходах выпрямвтепя 0 н фильтра О. в режиме холостого хода;4 ) импульсный ток нагрузки 1,напряг ф од фи р 55 в режиме холостого хода прн наличииблока релейного режима;ф) ток ключевого элемента 18,6 ) напряжение на управляющих выходахблока управления ЦПреобразователь построен но схеме сШИМ напряжения в цепи переменноготока,Устройство (фиг. 1) соаержит регулиь.руемый инвертор 1 на транзисторах 2 и3 с выходным трансформатором 4, вторичная обмотка которого подключена через выпрямитель 5, выполненный по лучевой или мостовой схемам, и сглаживающий фильтр 6, состоящий из дросселяи конценсвтора, к выходным зажимам 7и 8, блок 9 управления, управляющиевыходы.10,11 и 12 которого соединеныс управляющими входами регулируемогоинвертора 1, выводы 13 и 14 обратнойсвязи - с выходными зажимами 7 и 8,а положительный вывод 15 питания - содноименным входным зажимом 16. Позицией 17 обозначен отрицательный входной зажим. Блок 18 репейного режимасостоит из порогового элемента 19, выполненного на стабилитроне 20 с токоограничивающим резистором 21 и подключенного выходными выводами к вхмным выводам элемента 22 гальванической развязки, выполненного в виде оптэлектронного ключа и подкшоченного выводными выводами к управляющим выводам ключевого элемента 23, выполненного на транзисторе 24 с резистором 25,при этом входные выводы блока 18 репейного режима подсоединены к выходным зажимам 7 и 8, а выходные к отрицательному выводу 26 питания блока9 управления и другому входному зажиму17. К выходным зажимам 7 и.8 преобразователя подключена нагрузка, В соотав блока 9 управления, выполненного,например, в соответствии с фиг.2 илипо другим известным схемным решениям,входят задающий генератор 27 с трансформатором 28, собранный по схемеРойера на транзисторах, ведомый генератор 29 с трансформатором 30, обмоткиобратной связи которого соединены последовательно и согласно с синхронизирую:щими обмотками трансформатора 28 зааакецего генератора и первичными обмотками трансформатора 31 обратной связи.Выходные обмотки трансформатора 28 и30 соеаннЬны попарно последовательнои согласно и подключены через токоограничнвающие базовые цепи 32 и 33 и одновременно средними точками через запирающие диоды 34 и 35 к управляющимвходам регулируемого инвертора 1, Ковторичной обмотке трансформатора 31 обратной связи подкпючен регулирующийэлемент 36, состоящий из встречно вкпюченных транзисторов, управляющие лереходы которых включены в диагональ измеритепьного моста 37, . имеющего водном плече опорный элемент - стабипитрон, а в другихрезисторы и подключенного к выходным зажимам 7 и 8 черезвыводы 1; и 14. 1 ОУстройство работает спедующим образом,Постоянное входное напряжеще, подаваемое на входные зажимы 16 и 17,преобразуется регупируемым инвертором 151 (фиг,1) эа счет поочередного вкпючения и выкпючения транзисторов 2 и 3в двупопярные прямоугопьные импульсыс ШИМ, передаваемые через выходнойтрансформатор 4 на выпрямитепь 5, 20сгпажнвающий фильтр 6 и нагрузку. Уровень выходного постоянного напряжения .определяется шириной импульсов, снимаемых с выхода инвертора 1, которая зависит. от величины входного напряжения 25и тока нагрузки и задается блоком 9управления, Так, при возрастании входного напряжения и уменьшении тока нагрузки ширина импупьсов уменьшаетсяи компенсирует возможное увепичение ЗОвыходного стабилизированного напряжения, отклонение которого от номинапьнойвепичины опредепяется иэмеритепьныммостом 37, содержащем в одном из ппечисточник опорного напряжения - стабипитрон (фиг.2). В зависимости от ветчины этого откпонения изменяется сопротивпение регупирующего апемента 36,вносимое в базовые цепи транзисторовведомого генератора 29 через трансформатор 31 обратной связи, обеспечивающий сохранение гапьванического разделе-ния сетей питания и нагрузки.Регупирование ширины импульсов навыходе инвертора 1 осуществляет бпок 459 управления спедуюшим образом.Прямоугольные импульсы, снимаемые с выходных обмоток трансформатора 28 задающего генератора и трансформатора 30 ведомого генератора, сдвинуты по фазе относитепьно друг друга. При одинаковой попярности эти импупьсы сумми руются, подаются через токоограничиваюшие цепи 32 и ЗЗ на базу соответству ющего транзистора 2 (3) инвертора 1, 55 и этот транзистор входит в насьпцение.При перекпючении генератора 27 происходит выкпючение транзистора 2 (3) через запирающий диод 34 (35), и навыходе инвертора 1 формируется паузамежду иипупьсами. Поспедующее переключение ведомого генератора 29 приводит к включению второго транзистора3 (2) инвертора 1. В дальнейшем процессы повторяются. Регулирование фазымежду прямоугопьными напряжениями навыходах генераторов осуществпяется засчет управпения величиной задержки, необходимой для выхода транзисторов ведомого генератора 29 из насыщения Величина атой задержки, равная времени выхода транзистора из насыщения, опредепяет паузу между импульсами на выходе,инвертора 1 и, как следствие, - уровеньвыходного напряжения и зависит от сопротивпения регупируюшего эпемента 36,вносимого через трансформатор 31 обратной связи, Так, при увеличении выходного напряжения возрастает отпираюшее напряжение с измеритепьного моста37, сопротивление стпйраюшихся транзисторов регупируюшего алемента 36 уменьшается, возрастает .базовый ток во времянасыщенного состояния транзисторов ведомого генератора 29 и время выходаэтих транзисторов из насыщения, чтоприводит к увеличению задержки, уменьшению ширины импупьсов на выходе инвертора 1 и снижению выходного напряжения преобразователя. Т.е. эа счет1обратной связи блок 9 управления автоматически изменяет угол модуляции икомпенсирует отклонения выходного напряжения от его номинапьной вепичияы,возникающие при воздействии дестабипизируюших факторов. Следовательно, ширина импульсов регупируется так, чтопоспе их выпрямления ( 0 на фиг,ЗО)сгпаженное напряжение (3 на выходесглаживающего фипьтра 6 остается стабильным, В режиме хопостого хода блокуправпения уменьшает угол модупяции 9до минимапьно возможной вепичины (фиг,3 Я опредепяемой максимапьно достижимым временем выхода транзисторовведомого генератора 29 иа,насыщенияивременем выхода из насыщения транзисторов 2 и 3 регупируемого инвертора 1( углом коммутации), которое имеетзначитепьную вепичину при мапом токенагрузки преобразователя и колпекторномтоке атих транзисторов. В реэупьтатеконденсатор сгпаживающего фильтра 6накапливает энергию и заряжается за несколько периодов до напряжения, равщи"оамплитуде импупьсов на выходе выпрвюителя 5. Режим стабилизации выходногонапряжения нарушается. При напичии блока 18 релейного режима вводится второй(допопнитепьный) канал обратной связи. (фиг. 1), и питание на блок 9 управцения подается через транзистор 24 ключевого айемента 23, открытого за счетбазового тоха смещения через резистор25. В указанном спучае при сбросе токанагрузки 5 (фиг.30) начинается заряд 0конденсатора сгпаживающего фильтра 6,напряжение: йа котором Ц увепичиваетсяфиг.32) и после достижения величины,на ЬО бопьше номинальной, приводит ксрабатыванию порогового эпемента 19 15(щюбою стабилитрона 20). Через оптоэлектронный кпюч элемента 22 гальванической развязки начинает протекать ток.Этот элемент включается и закорачиваетуправляющий переход транзистора 24 20кпючевого эпемента 23, который выкпючается. Ток 1 р через него становитсяравным нулю (фиг.З Э), питание с бпока9 управпения снимается и последний прекращает генерацию управпяющих сигналов 25Од (фиг. Зе). Регупируемый инвертор 1юайючается, а сглаживающий фипьтр 6начинает разряжаться эа счет токов утечки конденсатора фипьтра, обратного токадиодов выпрямителя 5 тока, измеритепь З 0ного моста 37 и т,д. Напряжение на выходе преобраэоватепя снижается, пороговый элемент 19 выкшочается, вместе сэпементом 22 гапьианической развязки,753 8включается кпючевой:ачемент 23, подает ся питание на бпок 9 управления, запускается регулируемый инвертор 1, начинает заряжаться сглаживающий фильтр 6, В дальнейшем процессы повторяются н происходит стабипизация выходного напряжения в интервале ЬО на уровне, нескопько превышающем уровень выходного напряжения, стабипиэируемого за счет ШИМ. При наличии тока нагрузки блок 18 репейного режима не оказывает впияния на работу преобразоватепя, так как ключевой эпемент 23 остается постоянно вкпюченным, а пороговый эпемент 19 и эпемент .22 гальванической развязкивыкпюченными.Таким образом, в режиме хопостого хода ипи во время паузы при импульсной нагрузке стабилизация напряжения на выходных зажимах осуществляется с помощью блока 18 репейного режима,обеопечивающего релейно-импупьсный режим работы бпока 9 управпения, выдающего . серию управляющих импульсов с поспедующей паузой, во время которой этот бпок откпючен от питающей сети. Дости-гаемый эффект позволяет испопьэовать преобразователь на высоких (от десяти до сотен килогерц) частотах при работе нв импупьсную нагрузку и в режиме хопостого хода без снижения КПД, неоправданного завышения его мощности и уве пичения массы и габаритов теплоотводящей конструкции.1035753 Составитель. Н. Цтрона ТехредМ,Гергель вскан орректорА. Дзя едактор М 5851/57 Тираж 687 БНИИПИ Государственного ком по цепам изобретений и от 113035, Москва, Ж 35, РаувПодннс новитета СССРкрытийсквя наб.ф д. 4/5 юП г. Ужгород, уп, Проектем,