Импульсный стабилизатор напряжения (его варианты)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Сфюэ СоветскикСоциапистическикРеспублик 928329(22)Заявлено 07 07.80 (21) 2952611 д 4-07с присоелинением заявки РЙае делан изобретений и открытий(54) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ(ЕГО ВАРИАНТЫ) я к преобразоет быть испольторичных исИзобретение относитсвательной технике и можзовано при разработке вточников питания.Известно устройства, содержащее мостовой статический преобразователь с широтно-регулируемыми транзисторамй, в.1 ходной трансырматор и линейный однообмоточный дроссель, вклю". ценный последовательно с обмоткой выходного трансформатора 1 1.Пбмотка линейногс дросселя позво ляет ограничивать ток к первичной обмотке выходного трансформатора во вре.15 ия открывания транзисторов статического преобразователя напряжения, однако она не обеспечивает нагрузку энергией во время выключенного состояния транзисторов статического пре.20 образователя. Обеспечение энергией нагрузки в это времл осуществляется реактивными элементами, подключенными параллельно выпрямителю, чт . ведет к снижению КПД устройства и уве. личению его габаритов.Известно также устройство, содержащее мостовой статический преобразо ватель с широтно-регулируемыми тран зисторами, выходной трансформатор, выходной выпрямитель с фильтром и линейный двухобмоточный дроссель, одна обмотка которого включена в цепь пи-, тания статического преобразователя,а вторая обмотка связана через коммутирующий диод с выходным фильтром.Во время .открытого состояния транзисторов преобразователя, через пер.вую обмотку дросселя протекает токи в ее индуктивности запасаетсяэнергия, После выключения транзисто"ров преобразователя, в обмоткахдросселя возникает ЭДС такой поляр"ности, что открывается коммутирующийдиод и обеспечивается передача энергии 1 накопленной дросселем в нагрузку, диоды выходного выпрямителя вэто воемя закрыты и напряжение на3 92обмотках выходного трансформатораравно нулю Г 21.Устройство не позволяет одновременно стабилизировать выходноенапряжение трансформатора по амплитудному, среднему и эффективномузначениям, Следовательно такоеустройство не может быть использовано для питания нескольких гальва"нически не связанных нагрузок. Крометого, недостатком этого устройстваявляется то, что первая обмотка дросселя .гальванически связана с пита"ющей сетью, а вторая - с нагрузкой.В случае высоковольтной нагрузкиэто требует применения соответственно и двух (трансформатор, и дроссель) высоковольтных элементов.Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому результатуявляется импульсный стабилизаторнапряжения, который содержит мостовой статический преобразователь сдвумя полностью и двумя не полностьюуправляемыми транзисторами (т.е. сдвумя широтно-регулируемыми и двумянерегулируемим транзисторами), выходной трансформатор, первичная об"мотка которого выполнена со средней: точкой, выходной выпрямитель сфильтром, модулятор управляющих импульсов, дроссель, подключенный ковходу .стабилизатора и коммутирующийдиод 1 ь катод которого подключен ковходу стабилизатора, а анод - к сред"ней точке первичной обмотки выходноготрансформатора 3.Такое устройство обеспечивает частичную стабилизацию выходного нап-ряжения в течение полупериода, ноне позволяет поддерживать выходноенапряжение с одинаковой степеньюточности по среднему, эффективно"му и амплитудному значениям,Цель изобретения - расширение,функциональных возмовйоСтей"путемпреобразования широтно-импульсноймодуляции в амплитудно-импульсную.Поставленная цель достигается тем,что в импульсный стабилизатор напря"жения, содержащий мостовой усилительмощности с двумя последовачелвно со-:единенными широтно-регулируемый идвумя последовательно соединенныминерегулируемыми транзисторами, диагональ постоянного тока которого подключена к входным выводам, а в диагональ переменного тока включен вы. 83294 ходной трансформатор, блок управления, входом подключенный к выходнымвыводам, а выходом - к управляющим переходам транзисторов усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод, подключенный одним из элект" родов к входному выводу в направлении,обратном протеканию тока, введен второй коммутирующий диод, одним изЭлектродов подключенный к второмувходному выводув направлении, обратном протеканию тока, а вторым - кэмиттеру первого широтно регулируемого транзистора, связанного с перИ вым входным выводом, причем второй . электрод первого коммутирующего дио. да подключен.к коллектору второго широтно-регулируемого транзистора, а упомянутый дроссель выполнен в первоми втором варианте с отводом отсредней точки обмотки, который соединен с соответствующим выводомупомянутого выходного трансформатора и включен в первом варианте разрыв соединения широтно-регулируемых транзисторов, во втором варианте-в разрыв нерегулируемых транзисторов,а в третьем варианте упомянутый.дроссель выполнендвухобмоточным,приэтом первая обмотка включена в разрыв соединения широтно-регулируемых,;,а вторая -. в разрыв соединении не- регулируемых транзисторов.На фиг. 1-3 приведены электрические схемы вариантов выполнения, импульсного стабилизатора напряжения, на фиг. ч- эпюры напряжения, по. ясняющие работу вариантов импульсного стабилизатора напряжения. 40Стабилизатор содержит дроссель 1,с двумя полуобмотками (или обмотками) 2 и 3, мостовой усилитель мощности с двумя, последовательно сое,диненными широтно-регулируемыми ч и фф . и нерагулируемыми б и 7 транзисторами, первый коммутирующий диод 8 ивторой коммутирующий диод 9, вы"ходной трансформатор 10, включенныйв диагональ переменного тока мостового усилителя мощности, блок управ" ления 11, нагрузку 12, первый 1) ивторой 1 М входные выводы, к которым подключена диагональ постоянного тока моста усилителя мощности. В первом варианте (фиг. 1) дроссель 1 включен в разрыв соединения широтно-регулируемых транзисторов 4, .и 5 и вывод от средней точки обмотки9283 1 о 15 го 25 зо 35 40 45 5 О 55 5дросселя 1 соединен с началом первичной обмотки выходного трансформа.- тора 10 первый коммутирующий диод8 подключен к первому входному выводу 13 и коллектору второго широтнорегулируемого транзистора 5, второйкоммутирующий диод 9 подключен ковторому входному выводу 14 и эмиттеру первого широтно-регулируемоготранзистора 4, Блок управления 11входом подключен к выходным выводам нагрузки 12, а выходами - к управляющим переходам транзисторов 4-7усилителя мощностиВо втором варианте ,фиг. 2) дроссель 1 включен в разрыв соединениянерегулируемых транзисторов 6 и 7, авывод от средней точки обмотки дрос"селя 1 подключен к концу первичнойобмотки выходного трансформатора 10.В третьем варианте (фиг, 3) дроссель 1 выполнен двухобмоточным, приэтом первая обмотка 2 включена вразрыв соединения широтно-регулируемых транзисторов 4 и 5, а втовая обмотка 3 - в разрыв соединениянерегулируемых транзисторов 6 и 7.Остальные соединения во втором итретьем вариантах такие же как ив первом варианте,На фиг. 4 приведены эпюры напряжения для первого варианта :15;эпюра напряжения на коллекторномпереходе транзистора 4; 16 - эпюранапряжения на коллекторном переходе транзисторэ 5; 17 - эпюранапряжения на коллекторном переходе транзистора 6; 18 - эпюра напряжений на коллекторном переходетранзистора 7; 19 - эпюра напряжений на первичной обмотке трансформатора 10; 20 - эпюра напряхенийна обмотках 2 и 3 дросселя 1.На фиг. 5 приведены эпюры напряжения для второго варианта : 21 эпюра напряжений на коллекторномпереходе транзистора 4; 22- эпюранапряжений на коллекторном переходетранзистора 5; 23 - эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 6; 24- эпюра напряжений наколлекторном переходе транзистора 7,На фиг. 6 приведены зпюры напряжений для третьего варианта: 25 эпюра напряжений на коллекторномпереходе транзистора 4; 26- эпюранапряже;.ий на коллекторном переходетранзистора 5; 27 - эпюра напряжений на коллекторном переходе транзис 296тора 6; 28 - эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 7.Эпюры напряжений на первичнойобмотке трансформатора 10 и обмотках2 и 3 дросселя 1 для второго и третьего вариантов стабилизатора такие же, как для первого варианта(не показано),На фиг, 4-6 принятые следующиеобозначения уровней напряжений:напряжение питания стабилизаотора;О - напряжение на первичной обТмотке трансформатора 10;Од- напряжение на обмотках 2 и3 дросселя 1.Импульсный стабилизатор напряжения работает следующим образом.В первом варианте (фиг, 1,4) набазы транзисторов 4-7 от блока управления 11 поступают управляющие импульсы с постоянной частотой. Скважность (отношение периода переключения и времени рткрытого оостояниятранзисторов) управляющих импульсов,поступающих на базы транзисторов 6и 7 постоянна и равна двум. СГважность управляющих импульсов, поступающих на базы транзисторов 4 и 5,равна или больше двух и зависит отвеличины выходного стабилизированного напряжения. Во.время открытогосостояния транзисторов 4 и 7 происходит передача электрической энергиичерез трансформатор 10 в цепь наг ,рузки 12 и накопление энергии в обмотке 2 дросселя 1. Величины падения напряжения О на обмотке 2 дросселя 1 и на обмотке выходного трансформатора 10 ОТ показаны на эпюрах.19 и 20. Транзистор 4 выключается,.напряжение на его коллекторном переходе возрастает до .уровня питаниястабилизатора Ео (эпюра 15) приэтом происходит увеличение напряжения на коллекторном переходе транзистора 5 до уровня 2 От, значениенапряжения на коллекторном переходетранзистора 6 остается равным Б(эпюра 17), транзистор 7 остаетсяоткрытым до окончания полупериода(эпюра 18), Напряжение на обмотке 2 дросселя 1 изменяет свою полярность (эпюра 20) под действием раз"вивающейся ЭДС. Напряжение на обмотке 2 дросселя 1 становится равнымнапряжению на обмотке выходного тран-.сформатора 10, коммутирующий диод 9открывается, при этом энергия, за10 15 20 25 З 0 35 45 50 55 пасенная в обмотке 2 дросселя 1,пере дается в первичную обмотку выходного трансформатора 10. Напряжение на об мотке трансформатора 10 остается по стоянным до окончания полупериода(эпюра 19). Транзистор 7 выключается, напряжение на его коллекторном переходе становится равным Е (эпюра 18), напряжение на коллекторном переходе транзистора Ч снижается до уровня О .(эпюра 15), транзисторы 5 и 6 открйваются 1 напряжение источника питания стабилизатора прикладывается к обмотке выходного трансФорматора 10;противоположной полярности (эпюра 19), вызывая перемагничивание. его сердецника:. При этом происходит передача энергии через трансформатор 10 в цепь нагрузки 12 . и накопление энергии в обмотке 3 дро селя 1. Величина падения напряжения О на обмотке 3 дросселя 1 и обмотке выходного трансформатора От показаны на эпюрах 19 и 20. Транзистор 5 выключается, напряжение на его коллекторном переходе возрастает до напряжения Е 0(эпюра 16), при этом напряжение на коллекторном переходе,закрытого транзистора 4 возрастает до 2 От (эпюра,15), яапряжение на коллекторном переходе закрытого транзистора 7 остается равнымЕ о (эпюра 18),транзистор 6 остается открытым до окончания полупериода, напряжение на обмотке 3 дросселя 1 изменяет свою полярность (эпюра 20), под действием развивающейся ЭДС напряжение на обмотке 3 дрос-,селя 1 становится равным напряжению(От) на обмотке трансформатора 10,открывается коммутирующий диод 8,при этом энергия, запасенная в обмотке 3 дросселя 1, передается в обмотку трансформатора 10. Напряжение на обмотке трансформатора 10 остается постоянным (эпюра 19). Вовремя выключенного состояния широтко-регулируемых транзисторов 4 и 5,обмотка трансформатора 10 отключается от .источника питания стабилизатора. Далее процесс повторяется,Во втором варианте (фиг. 2 и 5) импульсы управления от блока управления 12 подаются на базы транзисторов 4-7 с такой же частотой и скважностью, как это описан; н принципе действия импульсного стабилизатора в первом варианте, Во время открытого состояния транзисторов 4 и 7 проис 29 8ходит передача электрической энергии через трансФорматор 10 в цепь нагрузки 12 и накопление энергии в обмотке 3 дросселя 1, Величины падения напряжений Од на обмотке 3 дросселя 1 и обмотке выходного трансформатора 10 От приведены на эпюрах 19,20. Транзистор 4 выключается , напряжение на его коллекторном переходе возрастает до уровня Е (впюра 21), нЖ- ряжение на коллекторном переходе выклюценного транзистора 5 снижается до нуля (эпюра 20) , напряжение на коллекторном переходе выключенного транзистора 6 возрастет до уровня Е + 2 От (эпюра 23), транзистор 7 остается открытым.(эпюра 24), напряжение на обмотке 3 дросселя 1 изменяет свою полярность под действием развивающейся ЭДС достигает, значения, равного От (эпюра 19), коммутирующий диод 9 открывается, при этом энергия, запасенная в обмотке 3 дросселя 1,передается в первичную обмотку выходного трансформатора 10, Напряжение на обмотке выходного трансформатора 10 остается постоянным до окончания полупериода (эпюра 19). Транзистор 7 выключается напряжение на1его коллекторном переходе становится равным О (эпюра 24), транзисторы 5 и 6 включаются, напряжение на коллекторном переходе выключенного транзистора 4 остается равным Е (эпюра 21), напряжение источника питания стабилизатора прикладывается к обмотке выходного трансформатора 10противоположной полярности (эпюра 19), вызывая перемагничивание его сердечника. При этом происходит передача энергии через трансформатор 10 .в цепь нагрузки 12 и накопление энергии в обмотке 2 дросселя 1. Транзистор 5 выключается, напряжение на его коллекторном переходе возрастает до Е(эпюра 22), напряжение на коллекторном переходе закрытого, транзистора 7 возрастает до уровня Е +2 О (эпюра 24), напряжение на обмотке 2 дросселя 1 изменяет свою полярность (эпюра 20) под действием развивающей ся ЭДС оно становится равным значению О , коммутирующий диод 8 открывается, при этом напряжение на коллекторн"-и; переходе закрытого транзистора 4 снижаетсл до нуля (эпюра 21).Энергия, запасенная в обмот.- ке 2 дросселя 1, передается через обмотки трансформатора 10 в нагруз40 ку 12.,Напряжение на обмотке трансбюрматора 10 остается постоянным доокончания полупериода (эпюра 19).Во время выключенного состояния тран.зисторов 1 и 5 обмотка трансформатора 10 отключается от источника питания стабилизатора. Далее процессповторяется,В третьем варианте, принцип работы аналогичен принципу работы стаби 10лизатора первого варианта. Отличительной особенностью работы третьего варианта является то, что напряжение на коллекторных переходах .закоытых транзисторов не превышает 15значения Е + О , как это показаноона фиг.б.В первом варианте импульсного стабилизатора . величина напряжения,приложенного к коллекторным переходам.транзисторов не превышает 2 От. По 1этому целесообразно его использовать при питании стабилизатора Ьтисточника постоянного тока напряжением 220 - 550 В. Однако в этом варианте схемы в процессе коммутациинерегулируемых .транзисторов 6 и 7возможно возникновение. сквозных токов.Во втором варианте импульсногостабиливатора максимальная величинанапряжения, приложенного к коллекторным переходам транзисторов,возрастает до уровняфЕо+ 2 О . Поэтому наиболее целесообразно его ис 35пользовать при питании стабилизатораот источников постоянного тока напря жением 27-1 10 8, причем уровень напряжения Ер+2 От не является определя-.ющим при выборе типа транзисторовпреобразователя, Кроме того, дроссель, включенный между эмиттером. транзистора б и коллектором транзистора 7, ограничивает сквозные токичерез эти транзисторы.45В третьем варианте импульсногостабилизатора максимальная величинанапряжения, приложенного к коллекторным переходам транзисторов, составляет Е +О . Этот вариант может бытьиспользовай при питании от любогоуровня постоянного. напряжения Обмотки дросселя 1; включенные междуэмиттерами транзисторов 1 и 6 иколлекторами транзисторов 5 и 7,так же ограничивают сквозные токи при55коммутации, Однако. изоляция междуобмотками дросселя 1 в этом случаедолжна быть расчитана на полное входное напряжение первичной обмотки трансформатора 10, в то время, как в пер-.вых двух вариантах напряжение между обмотками дросселя 1 не превышаетпадения напряжения на .его активномсопротивлении от тока первичной обмотки трансформатора 10,Предлагаемые варианты устройствацелесообразно использовать для питания нескольких гальванически не связанных нагрузок на переменном илипостоянном токе. При этом, в случае нагрузки на постоянном токе, емкость конденсаторов фильтров снижается за счет преобразования широтноимпульсной яодуляции в амплитудно"импульсную, вызывая снижение габаритов устройства и повышение его КПД.Кроме того, целесообразно использование предлагаемого устройства дляпитания высоковольтной нагрузки,так как в этом случае обеспечивается снижение габаритов и повышениенадежности за счет икла 4 Ьния изсхемы высоковольтного дросселя.Формула изобретения1. Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий мостовой усилитель мощности с двумя последовательно соединенными широтно-регулируемыми и двумя последовательно соединенными нерегулируемыми тран;зисторами, диагональ постоянного тока которого подключена к входным выводам, а в диагональ переменного тока включен выходной трансформатор, блок управления входом подключен-. ный к выходным выводам, а выходом.к управляющим переходам транзисторов усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод подключенный одним из электродов к входному выводу в направлении, обратном протеканию тока, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что с целью расширения функциональных воэможностей путем преобразования широтно-импульсноя модуляции в амплитудно-импульсную, в него введен второй коммутирующий диод, одним из электродов подключенный к второму входному выводу в направлении, обратном протеканию тока, а вторым - к эмиттеру первого широтно-регулируемого транзистора, связанного с первым входным выводом, причем второй электрод первого ком928329 20 25 30 35 диода подключен к коллектору вто 40Источники информации,рого широтно-регулируемого транзис- принятые во внимание при экспертизетора, а упомянутый дроссель выполнен 1. Патент США У 3697855с отводом от средней точки обмотки, кл. Н 02 М 7/12, 1972,который соединен с соответствующим 2; Патент франции У 2126336,выводом упомянутого выходного транс- кл. Н 02 М 3/00, 1972,форматора и включен в разрыв соеди 453 Авторское свидетельство СССРнейия нерегулируемых транзисторов. . У 524171, кл. С 05 Г 1/64. 1976. мутирующего диода подключен к коллектору второго широтно-регулируемого транзистора, а упомянутый дроссель выполнен с отводом от средней точки обмотки который соединен с соответствующим выводом упомянутого выход" ного трансформатора и включен в разрыв соединения широтно-регулируемых транзисторов.2. Импульсный стабилизатор напряже ния, содержащий мостовой усилитель мощности с двумя последовательно соединенными широтно-регулируемыми и двумя последовательно соединенными нерегулируемыми транзисторами, диагональ постоянного .тока которого подключена к входным выводам, а в ди, агональ переменного тока включен выходной трансформатор, блок управления, входом подключенный к выходным выводам, а выходом- к управляющим переходам транзисторов усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод, подключенный одним из электродов к входному выводу в направлении, обратном протеканию тока, о т л и ц а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем преобразования широтно-импульсной модуляции в амплитудно-импульсную, в него введен второй коммутирующий диод, одним иэ электродов подключенный к второму входнему выводу в направлении, обратном протеканию токФ, а вторым - к эмиттеру первого широтно-регулируемсц го транзистора, связанного с первым входным выводом; причем второй электрод первого коммутирующего 3. Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий мостовой усилитель мощности. с двумя последовательно соединенными широтно-регулируемыми и двумя последовательно соединенными нерегулируемыми транзисторами, диагональ постоянного тока которого подклюцена к входным выводам, а в диагональ переменного тока включен выходной трансформатор, блок управления, входом подключенный к выходным выводам, а выходом - к управляющим переходам транзисторов усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод, подключенный одним из электродов к входному выводу в направлении обратном протеканию Фока, о т л и ч а ю щ и й с я тем, цто, с целью расширения фукнциональных возможностей,путем преобразсаания широтно-импульсной модуляции в амплитудно-импульсную, в него введен второй коммутирующий диод, одним из электродов подключенный к второму входному выводу в направлении, обратном протеканию тока, а вторымк эмиттеру первого широтно-регулируемого транзистора, связанного с первым входным выводом, причем второй электрод первого коммутирующего диода подключен к коллектору второго широтно-регулируемого транзистора, а упомянутый дроссель выполнен двух- обмоточным, при этом первая обмотка включена в разрыв соединения широтно- регулируемых, а вторая - в разрыв- соединения нерегулируемых транзисто-" ров..5 Составитель И. Никитинктоо Л. Гулько Техред Ж. Кастелевиц Корректор кма ака Тирач 908 ИИПИ Государственн по делам иэобре 113035, Москва, Ж39/60ВН одписн а СССР го комит ений и о ти б. 4/ ушск Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная