Способ стабилизации напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения и устройство для его осуществления

/56 ЗЮГА РЕТЕНИ ЛЬСТВУ при расшия сопротиве основное е формируют сигналов, ают путем изния выходноутем преобцепи траняни ков,валов отличаиз указанного уют дополни- напряжение, порным напряж тель кото нием ст да ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО,ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ОПИСАНИЕК АВТОРСКОМУ СВИД(56 ) 1. Авторское свидетельство СССР Р 541160, кл. 0 05 р 1/56, 1976.2. Цишевский В. А., Лаптев Н. Н., Войтович И. А. Универсальная схема управления импульсными стабилизаторами постоянного напряжения с комбинированным регулированием. - Сб. "Современные задачи преобразовательной.техйики". Вып. 3, Киев, 1975, с. 439-449, рис. 1 в..3Авторское свидетельство СССР М 767734, кл. с 05 Р 1/56, 1980.4. Поликарпов А. Г., Сергиенко Е. 3. Схемы управления импульсных стабилизаторов постоянного напряжения в ШИМ регулированием. - Сб. 1 Полупроводниковая электроника в технике связи", Вып. 18, 1977, с. 156. (54) СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.(57) 1. Способ стабилизации напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения с обратным включением диода, дросселем и выходным фильтром, при котором включают транзистор через равные интервалы времени, измеряют выходное напряжение йреобразователя, сравнивают его с эталонным напряжением, усиливают полученный сигнал рассогласования, используя его в качестве опорного напряжения, формируют по меньшей мере одно контролируемое напряжение, сравнивают его с опорным напряжением и выключают транзистор в моменты их равенства, о т л и ч а ю щ и й - с я тем, что, с целью улучшения качества стабилизации выходного на,ЯО 106 А пряжения преобра зователренном диапазоне изменеления нагрузки, укаэаннконтролируемое напряженпутем суммирования двухпервый иэ которых получмерения входного напряжго фильтра, а второй. -разования тока силовойэистора в напряжение.2. Способ по и. 1,ю щ и й с я тем, чтовторого сигнала формирно контролируемоерое сравнивают с о 3. Способ по и. 2, о.т л и ч а- ас ю щ и й с я тем, что при уменьшении сигнала, полученного в результате укаэанного измерения выходного напряжения до величины, меньшей упо- С мянутого эталонного напряжения, фоп-, мируют третий сигнал, которым воздей-. ф ствуют на указанное преобразование тока в напряжение, увеличивая величину дополнительного контролируемого напряжения.4. Устройство для стабилизации пооянного напряжения, содержащее за-., ющий генератор фиксированной частоты, формирователь импульсов управления силовым транзистором, усилитель постоянного тока, один вход которого подключен к выходу датчика выходного напряжения преобразователя, а другой - к источнику эталонного напряжения, и первый компаратор, первый вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, а второй через первый диод - к выходу формирователя основного контролируемого напряжения, причем упомянутые усилитель, датчик, компаратор и источник эталонного напряжения соединены с общей шиной схем, о т л и ч а -ю щ е е.с я тем, что, с целью улуч 10687 шения качества стабилизации выходно- го напряжения преобразователя при расширенном диапазоне изменения сопротивления нагрузки, формирователь основного контролируемого напряжения состоит из делителя, включенного на входе С-,Ъ-С фильтра и трансформатора тока, первая обмотка которого включена в силовую цепь транзистора преобразователя, а вторая - зашунтирована первым резистором и подключена между выходами упомянутых делителя и формирователя.5. Устройство по п. 4, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оно снабжено формирователем дополнительного контролируемого напряжения, выполненным в виде подключенного к третьей обмотке упомянутого трансформатора тока однополупериодного выпрямителя со вторым резистором на выходе, сое 15диненным одним выводом с общей шиной схемы, а другим - с первым входом второго компаратора, втОрой вход которого подключен к упомянутому источнику эталонного напряжения, а выход через первый диод соединен с вторым входом первого компаратора, к которому также подключен через второй диод выход формирователя основного контролируемого напряжения. б. Устройство по и. 5, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что второй резистор формирователя дополнительного контролируемого напряжения зашунтирован цепочкой, состоящей иэ транзистора и третьего резистора, включенного в цепь его эмиттера, причем база транзистора соединена с упомянутым датчиком выходного напряжения преобразователя.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано висточниках электропитания аппаратурысвязи,Известен способ стабилизации выходного напряжения транзистора преобразователя постоянного напряжения,при котором сравнивают контролируеьий сигнал пилообразной Формы, сфор-:мированный из входного напряжения, с щсигналом постоянного тока и переключают силовой ключ в момент равенства этих сигналов, причем величинусигнала постоянного тока усиливаютравной амплитудному значению контро"лируемого сигнала при минимальнойвеличине входного напряжения 13.Этот способ не может быть применен беэ изменений для транзисторногопреобразователя постоянного напряжения с обратным включением диода. Наиболее близким к изобретению является способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения . 25 с обратным включением .диода, дросселем и выходным Фильтром, при котором включают транзистор через равные интервалы времени, измеряют выходное напряжение преобразователя, сравни вают его с эталонным напряжением, усиливают полученный сигнал рассогласования, используя его в качестве опЬрного напряжения, Формируют по меньшей мере одно контролируемое на- З 5 пряжение, сравнивают его с опорным напряжением и выключают транзистор в момент их равенства 2 . Недостатками известного способа являются низкая точность стабилизации напряжения в режиме прерывистого тока реактора, большие перегрузки коллекторного тока транзистора при включении и коротком заьакавии пре образователя постоянного напряжения, большая длительность переходных процессов, вызванных изменением сопротивления нагрузки.Известно устройство для осуществления стабилизации выходного напряжения. транзисторного преобразователя постоянного напряжения, содержащее задающий генератор фиксированной частоты, формирователь импульсов управления силовым транзистором и компаратор, первый вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а второй - к выходу Формирователя контролируемого напряжения, причем ком- паратор, источник. опорного напряжения и формирователь контролируемого на-пряжения соединены с общей шиной схемы З 3Недостатками этого устройства являются низкие статическая и динамическая точности.Наиболее близким к изобретению является устройство для стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения, содержащее задающий генератор Фиксированной частоты, формирователь импульсов управления силовым транзистором усилитель постоянного тока, один вход которого подключен к выходу датчика выходного напряжения пре-. образователя, а другой - к источникуэтаЛонного напряжения, и первый компаратор, первый вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, а второй - к выходу формирователя основного контролируемого напряжения, упомянутые усилитель, датчик, компаратор и источник эталонного напряжения соединены с общей шиной схемы 4 .Недостатками известного устройства являются низкая точность стабилизации напряжения в режиме прерывистого тока реактора, большие "выплески " коллекторного тока транзистора при выключении и коротком замыкании преобразователя постоянного напряже ния, большая длительность переходных процессов, вызванных изменением сопротивления нагрузки.Цель изобретения - улучшение качества стабилизации выходного напря жения преобразователя при расширенном диапазоне изменения сопротивления нагрузки.Эта цель достигается тем, что согласно способу стабилизации напряжения 25 транзисторного преобразователя постоянного напряжения с обратным включением диода дросселем и выходным сглаживающим фильтром, при котором включают транзистор через равные интервалы времени, измеряют выходное напря.жение преобразователя, сравнивают его с эталонным напряжением, усиливают полученный сигнал рассогласования, используя его в качестве опорного напряжения, формируют по меньшей мере одно контролируемое напряжение, сравнивают его с опорным напряжением и выключают транзистор в моменты их равенства, укаэанное основное контролиремое напряжение формируют путем 40 суммирования двух сигналов, первый из которых получают путем измерения входного напряжения выходного фильтра, а второй - путем преобразования тока силовой цепи транзистора в на пряжение.При этом из указанного втброго сигнала формируют дополнительное контролируемое напряжение, которое сравнивают с опорным напряжением.При уменьшении сигнала, полученного в результате указанного измере-. ния выходного напряжения, до величины, меньшей упомянутого эталонного. напряжения, формируют третий сигнал, которым воздействуют на укаэанное преобразование тока в напряжение, увеличивая величину дополнительного контролируемого напряжения.Кроме того, в устройство для стабилизации постоянного напряжения, содержащее задающий генератор фиксированной.частоты,.формирователы импульсов управления оиловым транзистором, усилитель постоянного тока, один вход которого подключен к выхо ду датчика выходного напряжения,преобразователя, а другой - к источникуэталонного напряжения, и первый компаратор, первый вход которого подключен к выходу усилителя постоянноготока, а второй через первый диод - квыходу формирователя основного контролируемого напряжения (упомянутыеусилитель, датчик, компаратор и ис-.,точник эталонного напряжения)соединены с общей шиной схемы , введенформирователь основного контролируемого напряжения, состоящий из делителя, включенного на входе С-Ь-Сфильтра и трансформатора тока, первая обмотка которого подключена всиловую цепьтранзистора преобразователя, а вторая - зашунтирована первым резистором и подключена междувыходами упомянухых делителя и формирователя,При этом данное устройство можетбыть снабжено, формирователем дополнительного контролируемого напряжения,выполненным в виде подключенного ктретьей обмотке упомянутого трансформатора тока однополупериодного выпрямителя со вторым резистором наалходе, соединенным одним выводомс общей шиной схемы, а другим - спервым входом второго компаратора,второй вход которого подключен купомянутому источнику эталонногонапряжения, а выход через первый диод соединен с вторым входом первогокомпаратора, к которому также подключен через второй диод выход формирователя основного контролируемогонапряжения,Кроме того,. второй резистор формирователя дополнительного контролируемого напряжения может быть зашунтирован цепочкой, состоящей из транзистора и третьего резистора, включенного в цепь его эмиттера, причем база транзистора соединена с упомянутым датчиком выходного напряженияпреобразователя.На фиг. 1 и 2 представлены временные диаграммы, поясняющие предлагаемый способ; на фиг. 3 - схема предлагаемого устройства.На фиг, 1 и 2 обозначены опорноенапряжение 1 (:о), напряжение 2 навходе выходного фильтра (К Н д,),моменты включения транзистора Т,моменты выключения транзистора Госновное контролируемое напряженйе3, напряжение 4, пропорциональноетоку силовой цепи транзистора ( хх В 1), дополнительное контролируемоенапряжение 5, режим включения преобразователя 1 8, установившийся режимВкпб"уст ф Режим пеРегРузки 1 п,ро,р,Диаграммы на фиг. 1 соответствуютспособу стабилизации, при которомдополнительное контролируемое напряжение 5 не зависит от величины выход"вых н г т оит прпри Кг х тара. 5 ного напряжения, а на фиг. 2 - прикотором дополнительное контролируемое напряжение увеличивается приуменьшении выходного напряжения меньше эталонного.Поскольку преобраэоваиие .тока 5транзистора в йапряжение производяткак правило, с помощью активного со"противления, то в дальнейших рассуждениях полагаем, что для формирования основного контролируемого напряжения формируют второй сигнал с помощью сопротивления В, а дополнительное контролируемое йапряжение - с по"мОщью сОпрОтивления Вг,На Фиг, 1 и 2 показано, что выключение транзистора преобразователяв режимах включения и значительнойтоковой перегрузки происходит в моменты времени, когда дополнительноеконтролируемое напряжение, равное 20падению напряжения на сопротивлении,В 2 ( е Вг) достигает величины опорного напряжения (00 д), В режимах малых отклонений входного напряжения итока нагрузки выключение транзистора 25преобразователя происходит в моментывремени, когда достигает величиныопорного напряжения (У) основноеконтролируемое напряжеййе, равноесумме падения напряжения на первомрезисторе и на К-й части входного напряжения преобразователя, выполненного с емкостным фильтром (К Увы )пРи этом, когда Б 2 = (Оеы ), сРедние значения токов транэйстора и ди- Зода и действующее значение тока реак 35тора в режимах включения и перегрузки меньше, чем в установившемся режиме рабогъ, несмотря на низкую скорость спада тока диода. В результатеэтого исключается перегрев преобразователя напряжения в режиме перегрузки и повышается надежность егоработы. При отсутствии контроля падения напряжения на сопротивлении В 2входной ток преобразователя напряжения мог бы достигнуть чрезмернобольших значений, нарушающих нормальную работу преобразователя напряжения.В предлагаемом способе стабилизации напряжения преобразователя выключение транзистора осуществляютв момент времени, когда выполняетсяодно из условий ГДЕ "ой -" КУ(К 2 ЦЕЫх - Кгц, Пу и П = и где К . - коэффициент усиления усилиУтеля постоянного тока;- напряжение эталонного источника напряжения;- напряжение питания схемыйнтуправления;У - опорное напряжение;Е - напряжение питания преобразователя;Бе- напряжение на нагрузке;С - время вкЛючениого состояниятранзистора;Ь - индуктивность обмотки реактора;Э в . начальное значение токаотранзистора при его очередном включении, равное нулюв режиме прерывистого тока; В В - сопротивления токовых шун 1 ф 2тов;К -К - коэффициенты пропорциональ 3ности входного тока и выходного напряжения.Разделим все слагаемые уравнения 1) на К 2Хй- 3 Р + - ЕФ +0 = - О (1К о 1 К ).выл Кг оо2 г Допустим, что в (1) сумма первыхдвух слагаемых составляет 3 от третьего слагаемого при максимальномзначении напряжения питания и номи-нальном значении тока нагрузки и чтоУдд/К 2 = сопвС и не зависит:. от велйчины выходного напряжения преобразователя. Рассмотрим на сколько процентов отклонится величина выходногонапряжения преобразователя с обратным включением диода при изменениинапряжения питания и тока нагрузкии его работе в режимах .прерывистогои непрерывного тока реактора,1. Полный сброс тока нагрузки.При сбросе .тока нагрузки до нуляпервое и второе слагаемые снижаютсядо нуля. Следовательно Пповышается на +3.2. Понижение .напряжения питанияпри прерывистом токе реактора (л,0).В этом случаеЕсли допустить, что с уменьшением напряжения Е увеличивается (или уменьшается) Е С при постоянстве Г, В, Ь, то должно одновременно увеличиваться (или уменьшаться ) напряжение 0 что невозможно, так как 5 +О шсоп 5 ФК (, еЬссс 2Следовательно, в этом режиме выходное напряжение преобразователя инвариантно к изменению напряжения питания. 103. Понижение напряжения питания при непрерывном токе реактора (10Ъ О)З - уч е "Вьсх (Е + 0 еых)с "Уравнение (1) с учетом (3) принимает следующий вид К, К ИЮ д: - Э Р+ -- И+: - О (1 с) 20К е 1 К с 1 3-1 Ю К .Ор2Допустим, что при снижении Е 1 также снижается, а следовательно, .снижаются второе и третье слагаемые. .Первое слагаемое возрастает, но не может стать больше суммы 1-го и 2-го слагаемых при Е = Ем,Сумма первого (У 1) и второго (цг слагаемых меняется не более, чем на 1 при их первоначальной величине, равной 3, 30 При этом третье слагаемое (кеес) отклоняется не более, чем на 1.Если допустить, что при снижении Е 11 возрастает и Е возрастает, то должны возрастать У ь, и 0 , но 35 это невозможно, так как"1 + Вг + "еык = О"Если при снижении Е 1 возрастает, но Е Ф снижается, то Уеьс может 40 снизиться или возрасти, а 0 возрастет.Допустим, что Е = ЕО.:1 и П2.Тогда при Е = Ецсс Ог может снизиться приблизительно до 0,5, 0 возрастет приблизительно на 0,5, а П , - на с 1. Следовательно, в режйме непрерывного тока реактора выходное напряжение преобразователя инвариантно к изменению напряжения питания с заданной степенью точности.,Когда 0 ер = Г(ПЕЕс), то точность стабилизацйй выходного напряжения значительно возрастает по сравнению со случаем у= сорос.55Предлагаесйй способ стабилизации напряжения является по существу комбинированным способом стабилизации по двум каналам. Стабилизация суммы напряжений, одно иэ которых пропор ционально входному току, а другое - выходному напряжению, является 1-м каналом стабилизации, а корректировка опорного напряжения - 2-м каналом стабилизации. Изменение напряжения . 65Я питания вызывает изменение скорости нарастания входного тока и времени открытого состояния транзистора в течение одного периода. Изменение сопротивления нагрузки также в течение.одного периода приводит к изменению выходного напряжения преобразователя и времени открытого состояния транзистора.Именно двухканальная система с учетом приведенных выше доказательств обеспечивает повышение точности и быстродействия системы регулирования.Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит задающий генератор 6 фиксированной частоты, формирователь 7 импульсов управления транзистором 8, усилитель 9 постоянного тока, один вход которого подключен к выходу датчика 10 выходного напряжения преобразователя, а,другойк источнику 11 эталонного напряжения, . и первый компаратор 12, первый вход которого подключен к выходу усилителя 9 постоянного тока, а второй через второй разделительный диод 13 к выходу формирователя основного контролируемого напряжения, который состоит из делителя 14 входного напряжения выходного С-Ь-С фильтра 15 и трансформатора 16 тока, Первая об" мотка трансформатора 16 тока включена в силовую цепь транзистора 8, а вторая - эашунтирована первым резистором 17.Второй вход первого компаратора 12 соединен.через первый разделительный диод 18 с выходом формирователя дополнительного контролируемого напряжения, который состоит из второго резистора 19,подключенного через выпрямитель 20 к третьей обмотке токового трансформатора 16, и второго компаратора 21.Второй резистор 19 зашунтирован цепочкой 22, эмиттерный повторитель, состоящей из третьего резистора 23 и управляющего транзистора 24, база которого соединена с выходом датчика 10 выходного напряжения.Силовой контур преобразователя состоит из транзистора 8, дросселя 25, силового диода 26 и выходного С-Ь-С фильтра 15. Все сигналы управления подаются относительно общей шины 27, к которой подключен один из выводов нагрузки 28.Транзистор 8 включается импульсами задающего генератора 6 через формирователь 7, ток через первую обмотку трансформатора 16 возрастает, что вызывает увеличение напряжения на резисторе 17 (фиг 1). В момент равенства напряжений на первом и втором входах компаратора 12 последний "перебрасывается" и через формирователь 7 выключает транзистор 8. Одновременно с ростом напряжения нарезисторе 17 растет напряжение на резисторе 19, сравнивается на входе второго компаратора 21 с эталонным напряжением стабилитрона 11.Превышение дополнительного контролируемого напряжения над опорным, 5 что происходит при пусковом и перегрузочном режимах преобразователя, приводит к ".перебросу" второго компаратора 21, затем первого компаратора 12 и, как следствие, к выключе нию транзистора 8. Таким образом обеспечивается мгновенная защита транзистора 8 от перегрузок. Для уменьшения:величины коллекторного тока транзистора 8 при пуске преоб" разователя и связанных с ней выплескэв выходного напряжения преобразователя параллельно резистору 19 включен эмиттерный повторитель 22, вход которого соединен с датчиком 10 выходного напряжения. При пуске напряжение на нагрузке 28 и, соответственно, на выходе датчика 10 равно нулю, транзистор 24 закрыт, и напряжение на резисторе 19 (Фиг. 2) достигает велйчины Б при меньшем значении тока через транзистор 8, чем в установившемся режиме.После выхода преобразователя на установившийся режим управляющий транзистор 24 отпирается и на резисторе 19 напряжение достигает величины Б при заданном значении тока через оптранзистор 8. Таким образом, удается обеспечить требуемый режим элементов силового контура преобразователя при 35 пусках, установившемся режиме и перегрузках.. Технико-экономические преимущества предлагаемого способа стабилизации выходного напряжения преобразователя 40 и устройства для его осуществления состоят в улучшении качества стабилизации выходного напряжения при расширенном диапазоне изменения сопро-.тивления нагрузки (работе реакторакак в режиме непрерывного, так ипрерывистого тока ), в повышении надежности преобразователя.Улучшение качества стабилизациивыходного напряжения заключается вповышении точности стабилизации, быстродействия системы регулирования,устойчивости системы регулирования,Изменение напряжения питания вызывает изменение скорости нарастаниявходного тока и времени открытогосостояния транзистора в течение одного периода. Изменение сопротивлениянагрузки также в течение одного периода приводит к изменению выходногонапряжения преобразователя и времениоткрытого состояния транзистора. Этимобеспечивается высокое быстродействиесистемы регулирования, Высокая устойчивость достигается за счет исключения из контура регулироваиияиндуктивности и емкости СС фильтра путем суммирования с напряжением,пропорциональным входному току напряжения на входе, а не на выходефильтра. Высокая точность стабилизации напряжения создается за счетдвух контуров регулирования.Высокая надежность преобразователя обеспечивается за счет ограниченияего входного тока в режимах перегрузки и включения,При отсутствии жестких требованийк пульсациям выходного напряженияС,-С сглаживающий фильтр можетбыть заменен С фильтром. В этом случае делитель входного. напряженияС-,-С фильтра и датчик высокого напряжения включаются параллельно. Принеобходимости гальванической развязки входного и выходного напряженийдроссель (трансформатор ) может бытьвыполнен двухобмоточным, 106871510 б 8715 Составитель В, Дивеевский дактор Н, Лазаренко Техред Тхред Ж,Каотелевич Корректор Ь.ТяскоЗаказ 11447/34 5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная Тираж б 14НИИПИ ГосудЬрспо делам изоб035, Москва, Ж Подписноевенного комитета ССетений и открытий35, Раушская наб.,