Стабилизированный конвертор

Союз Советскик Социалист ическиз РеспубликОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ щ 892425(22) Заявлено 1801,79 (21) 2714700/24-07с присоединением заявки Йф 2888681/07(51)М. Кл.6 05 Р 1/56 // Н 02 М 3/335 Государственям квинтет СССР яе делам язобретеякя я етврмтяй(71) Заявитель 54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ КОНВЕРТОР Изобретение относится к электротехнике, в частности к вторичным источникам питания электронной аппаратуры.Известен преобразователь-стабилизатор напряжения, содержащий задающий генератор, трансформаторный двухтактный усилитель мощности с транэистораьщ, соединенными по цепи управления с задающим генератором че рез входной трансформатор, широтно- импульсный модулятор, работающий на двойной частоте задающего генератора, выходной выпрямитель и короткозамыкатель, соединенный по входу с ШИМ модулятором, а по выходу - с обмоткой входного трансформатора 1.Однако такой преобразователь-стабилизатор имеет увеличение габаритов за счет большего количества намоточ ных иэделий.Известен ключевой стабилизатор постоянного напряжения, содержащий основной и дополнительный ключевые элементы, подключенные к распредели тельному узлу и, через последовательно соединенные РЬ и РЬ С-фильтры и датчик тока, связанный с одной стороны через пороговый блок, а с другой, через сравнивающий элемент, усили тель и ШИМ-преобразователь, с распределительным узлом, - к выходному выводу позволяющий обеспечить режим непрерывного тока в дросселе фильтраи уменьшить суммарные габариты и вес обоих дросселей при больших изменениях тока нагрузки 2.Однако при малых изменениях тока нагрузки этот стабилизатор имеет увеличенные габариты за счет дополнительного дросселя. Кроме того, уст" ройство не обеспечивает гальванической развязки между питающим и выходным напряжением.Известно устройство для питания радиоаппаратуры, содержащее последо. вательный регулирующий транзистор, выходной ЭЬ С-фильтр, выходом подключенный к статическому преобраэо" вателю напряжения, связанному со схемой управления модулирующим транзистором. Это устройство обладает высоким КПД и позволяет получить гальванически развязанные с первичным источником стабилизированные выходные напряжения для питания электронной аппаратуры 3.Работа основных транзисторов устройства в ключевом режиме позволяет снизить рассеиваемую на них мощностьи уменьшить габариты, однако наличие постоянной составляющей тока в дрос- селе и ограничения по максимально возможной частоте преобразования, вызванное падением КПД статического преобразователя, работающего в автогенераторном режиме, препятствуют снижению габаритов дросселя и трансформатора и, как следствие, микроминиатюризации всего устройства в целом.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является двух- канатный стабилизированный преобразователь, содержащий конденсатор фильтра, выходной трансформатор, вторичные обмотки которого через выпрямители подключены к выходным выводам, а средняя точка первичной обмотки подключена к одному из входных выводов, причем другой входной вывод подключен к двум параллельно соединенным цепям, каждая из которых содержит соединенные последовательно полуобмотку дросселя и шунтированный диодом силовой ключ, управляющий электрод каждого из которых подключен к блоку управления, включающему в себя компаратор, один вход которого подключен к управляющему входному выводу, другой - к выходу измерительного органа, а по входу связанному с одними из входов элементов совпадения, другие входы которых подсоединены соответственно к парафазным выходам триггера, причем выходы этих элементов подключены к первым двум выходам блока управления. В известном устройстве построение схемы управления инвертором обеспечивает непрерывность передачи тока в нагрузку на вторичной стороне трансформатора при неизменной треугольной форме передаваемого тока, причем за счет фиксации амплитуды тока, отбираемой от источника питания, осуществляется стабилизация среднего значения тока, передаваемого в нагрузку, и одновременная автоматическая защита инвертора от перегрузок по току. Плавный характер нарастания тока через силовые управляемые ключи обеспечивают сокращение коммутационных потерь, а устранение постоянного подмагничивания дросселя позволяет уменьшить его массо-габаритные характеристики 41.Недостатком известного инвертора являются увеличенные габариты трансформатора и конденсатора фильтра, а также повышенная пульсация выходного напряжения, из-за чего в ряде случаев требуется установка дополнительных фильтров, приводящая к дополнительному увеличению габаритов инвертора, Увеличение габаритов трансформатора и элементов фильтра в известном устройстве вызвано необходимостью передачи в нагрузку, иметранзисторов второй дифференциальной пары, эмиттеры которых через резистор соединены с одним из входных выводов, коллекторы попарно объединеющую емкостной характер, тока, изменяющегося по треугольному закону, при этом пульсации напряжения нанагрузке должны быть незначительными. Традиционный способ сокращениягабаритов трансформатора и дросселяфильтра за счет повышения рабочейчастоты инвертора для известногоустройства не может дать полногоположительного эффекта, так как сростом частоты снижается значениепредельно допустимой реакционноймощности и количество типов конденсаторов, которые могут быть использованы в фильтрах, а также увеличиваются искажения, вносимые трансфор 15 матором.Цель изобретения - уменьшениемассо-габаритных характеристик устройства.Поставленная цель достигаетсящо тем, что в устройство введены двадругих силовых транзисторных ключа,управляющие переходы которых, зашунтированные диодами, подключены кдополнительным выводам блока управления, а силовые переходы подключенымежду выводами начала и конца первичной обмотки трансформатора и средней точкой соединения полуобмотокдросселя, связанной через конденсаЗОтор фильтра с одним из входных выГводов, а через параллельно включенные введенные резистор и конденсатор - с катодами двух введенных диодов, аноды которых подключены кколлекторам введенных силовых транЗ 5 зисторов,Блок управления может быть выполнен в виде задающего генератора,соединенного со входами ШИМа и триг.гера, прямой и инверстный выходы40 которого подключены к базам и-р-итранзисторов первой дифференциальной пары, эмиттеры которых через резистор соединены с другим входнымвыводом и с первым выходом ШИМа,4 второй выход которого подсоединенко входам элементов совпадения, ауправляющий вход соединен через резистор с одним иэ входных выводови непосредственно с коллектором од ного из р"и-р транзисторов компарато.ра, выполненного по схеме дифференциального усилителя, вход которогоподключен к средней точке резистивно.го делителя, а эмиттер, через резистор, - к этому же входному вывоИ ду и непосредственно к эмиттеру второго транзистора, вход которогочерез стабилитрон соединен с однимиз входных выводов, через резисторс его коллектором резистивным делителем и третьим выводом блока, и непосредственно с базой одного из р-и-р15 ны с коллекторами транзисторов первой дифференциальной пары и подключены к дополнительным выходам блока, а база второго р-и-р транзистора пары соединена через диод с базой первого р-и-р транзистора и непосредственно с коллектором и-р-и транзистора, база которого подключена к прямому выходу триггера, а эмиттер через резистор подсоединен к первому выходу ШИМа.На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - то же, с вариантом мостового включения дросселя; на фиг, 3 - электрическая принципиальная схема блока управления.Устройство содержит блок 1 управления, выходы а и б которого подключены к базам и-р-и транзисторов силовых ключей 2 и 3, коллекторы которых через диоды 4 и 5 подключены к 20 одному из входных выводов и непосредственно к одним из концов полуобмоток дросселя б, другие объединенные концы которых подключены к эмиттерам двух других транзисторных сило вых и-р-и ключей 7 и 8, одному выводу конденсатора фильтра 9, и выводу питания в блока 1 управления, выходы г и д которого подключены, соответственно к зашунтированным диодами 10 и 11, базам транзисторных ключей 7 и 8, коллекторы которых через анод- катод диодов 12 и 13 подключены к параллельно соединенным конденсатору 14 и резистору 15, и другому входному выводу через полуобмотки трансформатора 16, вторичные обмотки которого через выпрямители 17 подключены к выходным выводам 18 устройства,Вариант выполнения устройства (фиг. 2) аналогичен первому с тем 40 отличием, что выводы начала и конца дросселя б подключены к коллекторам первых силовых транзисторных ключей 2 и 3 и коллекторам дополнительных силовых ключей 19 и 20 обратной р-и-р 45 проводимости, база-эмиттерные переходы которых шунтируют база-эмиттерные переходы вторых силовых транзисторных и-р-и ключей 7 и 8.Кроме того, блок управления содержит задающий генератор 21(фиг.3), соединенный со входами ШИМ-преобразователя 22 и триггера 23, прямой и инверсный выходы которого подключены к базам и - р - и транзисторов 24 и 25 первой дифференциальной пары,55 эмиттеры которых через резистор 26 связаны с входным выводом, и соответственно - к выходам а и б блока через два элемента 2 И-НЕ 27, другче два входа которых подключены к вы- б 0 ходу ШИМ-преобразователя 22, управляющий вход которого соединен через резистор 28 с одним входным выводом и непосредственно с коллектором одного из р-и-р транзисторов 29 диф ференциального усилителя, играющегороль компаратора. База транзистора подключена к средней точке резистивного делителя 30, являющегося измерительным органом, а эмиттер через токовый резистор 31 - к одному входному выводу и непосредственно к эьяттеру второго транзистора 32, база которого через анод-катод стабилитрона 33, задающего эталонное управляющее напряжение, соединена с одним входным выводом, а через резистор 34 - с его коллектором, резистивным делителем 30 и выводом . питания блока и непосредственно с базой одного и р-и-р транзисторов 35 второй дифференциальной пары, эмиттеры которых через резистор 36 соединены с одним входным выводом, коллекторы попарно объединены с коллекторами транзисторов 24 и 25 и подключены к выходам г и д блока, а база транзистора 37 соединена через катодайод диода 38 с базой транзистора 35 и непосредственно с коллектором и-р-и транзистора 39, база которого подключена к прямому выходу триггера 23, а эмиттер через резистор 40 - к другому входному выводу, соединенному с общей шиной ШИМ-преобразователя 22.Устройство работает следующим образом.Широтно-модулированные импульсы, появляющиеся поочередно на выходах а и б блока 1 управления, открывают поочередно транзисторные силовые ключи 2 и 3 на время, соответствующее длительности импульса, При этом происходит нарастание тока в соответствующей полуобмотке дросселя 6. При закрывании ключа энергия, запасенная в дросселе, обеспечивает поддержание в этой полуобмотке тока, проте. кающего через диод 4 и 5 в том же направлении, величина которого линейно убывает по мере расходования энергии, запасенной в дросселе. В следующую половину периода работы происходит нарастание тока в другой полуобмотке дросселя при открывании другого силового ключа и спад его, когда силовой транзистор закрыт. Скорость нарастания и спада тока в обмотке дросселя определяется его индуктивностью и величиной напряжения, приложенного к его выводам, в связи с чем в устройстве при неизменной частоте переключения силовых ключей максимальное значение тока, протекающего через обмотку дросселя, не превышает выбранных значений. Таким образом, обеспечивается автоматическая защита инвертора от перегрузок по току беэ введения каких- либо дополнительных цепей защиты,Изменением времени открывания силовых цепей можно регулировать максимальное и среднее значение то 892425ка, протекающего через обмотки дросселя и конденсатор фильтра 9. Треугольные импульсы тока обеспечиваютзаряд конденсатора фильтра 9 до напряжения, соответствующего установленному значению, При этом в блоке управления часть напряжения конденса-,тора фильтра 9, снимаемая с резистивного делителя 30, сравнивается с помощью дифференциального усилителя натранзисторах 29 и 32 с эталоннымнапряжением на стабилитроне 33. Взависимости от результата сравненияизменяется выходной ток дифференциального усилителя, который управляет длительностью выходного импульсаШИМ-преобразователя 22, который спомощью триггера 23 и элементов2 И-НЕ 27 поочередно поступает на выходы а и б блока 1 управления. Частота переключения определяется частотой работы задающего генератора 21, 20а длительность включающего ШИМ-сигнала регулируется таким образом, чтообеспечивается антоматическое поддержание величины напряжения на конденсаторе фильтра 9 в заданных пределах. 25Противофаэные сигналы с выходовтриггера 23 поступают непосредственнона базы токоэадающих транзисторов 24и 25 первой дифференциальной пары, ачерез токовый переключатель на тран- Зрзисторе 39 и резисторе 40 - на базытокоэадающих транзисторов 35 и 37,где фиксируются с точностью напряжения, падающего на диоде 38 науровне напряжения на стабилитроне 33. ЗСигнал с выходов триггера обеспечивают включение одного из транзисторов первой дифференциальнойпары и противофазное включение транзисторов второй дифференциальной пары,Коллекторные токи транзисторов обоих 4 Одифференциальных пар выбираются спомощью резисторов 26 и 36 равнымии достаточными для полного поочередного открывания вторых транзисторных силовых ключей 7 или 8 устройства и соответствующего поочередногоподключения к конденсатору фильтра9 половины первичной обмотки трансФорматора 16. Выводы начала и концапервичной обмотки трансформатора щчерез диоды 12 и 13 подключены кпараллельной ВС-цепочке 14 и 15,постоянная времени которой выбирается много меньше длительности периода переключения, что позволяет устранить выбросы напряжения на коллек"трах транзисторов силовых ключей7 и 8,Дифференциальное, токовое переключение силовых транзисторов усилителя мощности позволяет свести к 60минимуму время их включения и выключения, уменьшить потери мощности напереключение и получить практическипрямоугольную форму напряжения навторичных обмотках трансформатора, б 5 что обеспечивает получение постоянного напряжения на выходе выпрямителя при отсутствии конденсатора фильтра или при малых значениях его, когда время переключения транэисторон становится соизмеримым с периодом переключения.В предлагаемом конверторе величина емкости конденсатора фильтра 9 в 2-4 раза меньше, чем в известном, так как она выбирается из таких же расчетных соотношений, и практически ее значение обратно пропорционально величине постоянного напряжения на нем.Строгое равенство полупериодон переключения ключевых, усилителя мощности и переключающих ШИП-стабилизатора, транзисторон обеспечивает симметрию работ последних и способствует более удовлетворительной работе дросселя и трансформатора на высоких частотах.Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет умень шить объем, занимаемый наиболее габаритными элементами устройства, дросселем и трансформатором, уменьшить их линейные размеры, что обеспечивает возможность разработки устройства в микроминиатюрном исполнении с улучшенными моногабаритными характеристиками.Введение дифференциальных транзисторных пар позволяет осуществить переключение мощных ключевых и переключающих транзисторов ограниченными токами базы, свести до минимума время и повысить частоту переключения, снизить массогабаритные показатели намоточных изделий и фильтрующих конденсаторов.Формула изобретения1,Стабилизированный конвертор,содержащий конденсатор фильтра, выходной трансформатор, вторичные обмотки которого через выпрямители подключены к выходным выводам, а средняя точка первичной обмотки подключена к одному иэ входных выводов, причем другой входной вывод подключен к двум параллельно соединенным цепям, каждая иэ которых содержит соединенные последовательно полуобмотку дросселя и шунтированный диодом силовой ключ, управляющий электрод каждого из которых подключен к блоку управления, включающему в себя компаратор, один вход которого подключен к управляющему входному выводу, другой - к выходу измерительного органа, а выход связан с одним из входов элементов совпадения, другие входы которых подсоединены соответственно к парафазным выходам триггера, причем выходы элементон подключены к первым двум выходам блока управления, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью улучшения массо-габаритных показателей, в него введены два других силовых транзисторных ключа, управляющие переходы которых, шунтированные диодами, подключены к дополнительным выводам блока управления, а силовые переходы включены между крайними выводами первичной обмотки трансформатора и средней точкой соединения полуобмоток дросселя, связанной через конденсатор фильтра с одним из входных выводов, а через параллельно включенные введенные резистор и конденсатор - с катодами двух введенных диодов, аноды которых подключены к коллекторам введенных транзисторов.2. Стабилизированный конвертор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что блок управления выполнен в 20 виде задающего генератора, соединенного со входами ШИМа и триггера, пря мой и инверсный выходы которого подключены к базам и-р-и транзисторов первой дифференциальной пары, эмит теры которых через резистор соединены с другим входным выводом и с первым выходом ШИМа, второй выход которого подсоединен ко входам элементов совпадения, а управляющий ЗО вход соединен через резистор с одним из входных выводов и непосредственно с коллектором одного из р-и-р транзисторов компаратора, выполненного по схеме дифференциального уси- З лителя, вход которого подключен ксредней точке резистивного делителя,а эмиттер, через резистор, к этомувходному выводу и непосредственно кэмиттеру второго транзистора, входкоторого через стабилитрон соединенс одним из входных выводов и черезрезистор - с его коллектором, резистивным делителем и третьим выводом блока и непосредственно с базойодного из р-и-р транзисторов второйдифференциальной пары, эмиттеры которых через резистор соединены с одним входным выводом, коллекторы попарно объединены с коллекторамитранзисторов первой дифференциальнойпары и подключены к дополнительнымвыходам блока, а база второго р-и-ртранзистора пары соединена через диод с базой первого р-и-р транзистора пары, непосредственно с коллектором и-р-и транзистора, база которого подключена к прямому выходутриггера, а эмиттер - через резисторподсоединен к первому выходу ШИМа,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 473994, кл. 6 05 Р 1/64, 1975.2. Авторское свидетельство СССРУ 601681, кл. 6 05 Г 1/56, 1978.3. Авторское свидетельство ГССРР 418844, кл. С 05 Г 1/56, 1972.4, Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2472582/24-07,кл. Н 02 М 3/335, 04.04.77.892425 Составитель Т. ЕршоваТехред И. Гайду Корректор В, Бутяга Редактор И. Юрковецкий Тираж 943 Подпи сн ое ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5