Импульсный стабилизатор постоянного напряжения

Патент 1001049

Авторы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

.8) Ф

Н.А.Коааонин, Ю.К.Зубрин.и А.Б.Потап но ° . .:,, "" /

/ (72) Авторы изобретения (7l ) Заявитель

Куйбышевский электротехнический институт связи (54) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО

НАПРЯИЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника электропитания . электро- и радиоустройств.

Известен импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий транзистор, LC0-фильтр, предварительные усилители, два транс. форматора с первичными и. вторимными обмотками, .широтно-импульсный моду1о лятор, сравнивающий блок, развязывающие диоды и резисторы, два изолированных источника смещающего напряжения и выключающий транзистор Pl ), Недостатком указанного стабилизатора является сложность, обусловленная наличием нескольких источников смещения, для создания которых необходимо несколько трансформаторов.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является импульсный стабилизатор постоянного напряжения,,содержащий LCO->ariyp и сило2 вой ключ, выполненный на двух параллельно включенных транзисторах, объединенные эмиттеры которых соединены со средним выводом, а базы - с крайними выводами вторичной обмотки трансформатора, первичной обмоткой соединенного с выходом генератора прямоугольных импульсов, управляоцим входом подключенного к выходу блока управления, входом соединенного с вы" ходными выводами импульсного стабилизатора постоянного напряжения, которые соединены с выхода LC0-фильтра через разделяюще-преобразкющий блок Р 2 . а

Недостатком известного импульсного стабилизатора является низкий КПД вследствие больших потерь в транзис-. торах силового ключа при выключении.

Цель изобретения - повышение КПД имрульсного стабилизатора постоянного напряжения путем форсирования процесса выключения тванзисторов.

3 10010

Поставленная цель достигается тем, что в импульсном стабилизаторе постоянного напряжения, содержащем 1С0фильтр и силовой ключ, выполненный на двух параллельно включенных транзисторах, объединенные эмиттеры которых соединены со средним выводом, а базы -, с крайним 1 выводами вторичной обмотки трансформатора, первичной обмоткой соединеннаго с выходом ге- 116 нератора прямоугольных импульсов, управляющим входом подключенного к основному выходу блока управления, входом соединенного с выходными выводами импульсного стабилизатора II% постоянного напряжения, указанный трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, подключенной через введенный Bblпрямитель к введенному замыкающему ключу, управляющим входом сое- 26 диненному с введенны:1 инверсным выходом блока управления.

При этом генератор импульсов выполнен по двухтактной с еме со сред" ней точкой на управляющих ключах и датчиках тока, управляющим входом соединен с прямым двухтактным выходом блока управления, содержащим два логических элемента И, образующих прямой двухтактный выход, элемент

HF выходом соединенный с инверсным выходом блока управления, счетный

0-триггер, три элемента И-НЕ и компаратор, один вход которого соединен с входом блока управления, а другойс источником опорного напряжения, при > этом выход первого датчика тока через первый . вход первого элемента И-HE

его выход, вход R-счетного 0-тригге" ра, его инверсный выход, первый вход

46 первого элемента И и его выход соединен с управляющим входом второго управляющего ключа, а выход второго датчика тока через первый вход второI-o элемента И-НЕ, его выход, вход S указанного счетного 0-триггера, его 4 прямой выход, первый вход второго эле. мента И и его выход соединен с управляющим входом первого управляющего ключа, при этом вторые входы указанных элементов И-НЕ соединены с выхо" дом третьего элемента И-НЕ, два вхо" да которого соединены попарно с указанными выходами датчиков тока, а вторые входы указанных элементов И соединены с выходом компаратора и входом элемента НЕ, выход которого соединен со счетным входом 0-триггера, и, через инверсный выход блока

49 4 управления - с управляющим входом указанного замыкающего ключа.

На чертеже представлена принципиальная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения.

Импульсный стабилизатор содержит силовой ключ 1, выполненный на параллельно соединенных транзисторах

2 и 3 и включенный между входным выводом устройства +U и входом LCDфильтра 4, выход которого подключен к входу блока 5 управления и к выходному выводу стабилизатора U 1,1 . Выход блока 5 управления соединен с управляющим входом двухтактного генератора 6 прямоугольных импульсов, который подключен к разделительному трансформатору 7, с первичной обмоткой 8, вторичной обмоткой 9 и дополнительной обмоткой 10, подключенной к входу выпрямителя 11. При этом крайние выводы вторичной обмотки 9 соединены с базами транзисторов 2 и 3 силового ключа 1, а крайние ьыводы первичной обмотки 8 через соответствующие клю" чи 12 и 13 и датчики 14 и 15 тока соединены с общей шиной устройства.

Средняя точка первичной обмотки 8 соединена с положительным выводом источника питания, в качестве которого может быть использован дополнительный источник питания или выходное напряжение импульсного преобразователя

U>>> выход выпрямителя 11 зашунтиро. ван замыкающим ключом 16.

Блок 6 управления содержит счетный D-триггер t7, первичный 18 и второй 19 элементы И, элемент НЕ 20, первый 21, второй 22 и третий 23 элементы И-НЕ и компаратор 24, первый вход которого соединен с входом блока 5 управления, а второй - с выходом источника опорного напряжения.

Выход первого датчика 14 тока через цепь, состоящую из пврвого эле" мента И-НЕ 21, его выхода, входа

R-счетного D-триггера 17, его инверсного выхода 11, первого, элемента

И 18 соединен с управляющим входом второго управляющего ключа 13. Выход датчика 15 тока в свою очередь соединен с управляющим входом ключа

12 через цепь, состоящую из первого входа второго элемента И-НЕ 22, его выхода, входа R-счетного D-триггера 17, его прямого выхода Q, пер- вого входа второго элемвнта И 19 и его выхода. Вторые входы элементуру: начало обмотки 9, переход база-эмиттep транзистора 3, параллельная цепь конденсатора 26 и стабилитрона 25 и средняя точка обмотки 9 ; .

Под действием тока базы транзистора

3 конденсатор 26 зарядится до уровня, ограниченного величиной напряжения стабилизации стабилитрона 25. Так как с появлением единичного уровня с выхода- компаратора 24 ключ 16 через инвертор 20 оказался в закрытом состоянии, то напряжения на обмотке 10 на работу генератора 6 влияния не окажут. Под действием тока, протекаемого по обмотке 8 через открытый ключ 12, сердечник трансформатора 7 намагничивается. До тех пор, пока сердечник трансформатора 7 не намагничен, датчик 14 тока обеспечивает на своем выходе нулевой логический уровень. В области намагниченности сердечника трансформатора 7 ток по обмотке 8 резко возрастает и датчик

14 тока выдает единичный логический уровень, который совместно с единичным выходным уровнем элемента И-НЕ 23, обеспеченным нулевым входным уровнем, поступающим с датчика 15 тока, реализуя функцию И-НЕ. устанавливает по входу. R О-триггера 17 единичный уровень на его инверсном выходе

О. Вследствие чего ключ 22 выключается, а ключ 13 через реализованную функцию И элемента 18 включается.

Сердечник трансформатора 7 начинает перемагничиваться в обратном направлении за счет сменившейся по знаку

МДС обмотки 9. При этом транзистор

2 импульсного регулятора 1 откроет-.. .ся аналогично -npoqeccy включения. ,транзистора 3. Транзистор же 3 будет формированно закрываться за счет сменившейся по знаку ЭДС обмотки 9, ко.торая сложившись с напряжением на конденсаторе 26, обеспечит ток запира.ния его базового перехода. Как .только сердечник трансформатора вновь войдет в зону намагниченности, ток второй обмотки 8 резко возрастает и датчик 15 тока обеспечит на своем выхо-. де единичный уровень, который совместно с единичным выходным уровнем логического элемента И-НЕ 23, установленным входным нулевым уровнем, поступающим с датчика 14 тока, реализует функцию И-НЕ и установит по входу S триггера 17 единичный выходной уровень на его прямом выходе Я. При этом ключ 13 закрывается, а ключ 12 вновь

3 1001049 4 тов И-HF. 21 и 22 соединены с выхо" дом третьего элемента И-НЕ 23, каждый вход которого соединен с одним выходом одного из датчиков 14 и 15 тока. Вторые входы элементов И 18 и 5

19 соединены с выходом компаратора 24 и с входом элемента НЕ 20.

Выход элемента HE 20 соединен со счетным входом С 0-триггера 17 и с управляющим входом замыкающего ключа 16. Средняя точка вторичной обмотки 9 разделительного трансформатора 7 соединена с объединенными эмиттерами транзисторов 2 и 3 через параллельно соединенные стабилитрон 25 и конденсатор 26.

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом.

Если выходное напряжение стабили" 20 затора 1!>> на величину, определяеемую чу вст вительност ью компара тора

24, превышает величину опорного напряжения !3оп, то его выходной уровень соответствует логическому нулю, который через элементы И 18, 19 выклю- чает ключи 12 и 13, при этом напряжения на всех обмотках трансформатора 7 равны нулю, Через инвертор 20 данный логический нуль выхода ком- 3@ паратора 24 держит открытым замыкающий ключ 16, вследствие чего обмотка 10 трансформатора 7 закорочена через выпрямители 11. Так как на- . пряжение на обмотке 9 отсутствует, з то тоанзисторы 2 и 3 силового ключа

1 также закрыты. Закрытое состояние ключей 12 и .13 обеспечивает нулевые логические уровни на датчиках 14 и 15 тока, которые через элементы

И-НЕ 21 и 22 держат единичный логический уровень на входах R u S сметного 0-триггера 17. Такое состояние схемы будет сохраняться до тех пор пока выходное напряжение стабилизатора 0 „ под действием тока нагрузки не понизится до уровня, при котором на выходе компаратора 24 появится уровень логической единицы.

При этом, если к примеру состояние

56 триггера 17 определялось единичным уровнем на прямом выходе Q, то через элемент И 19 включается ключ

+2 и по обмотке 8 и датчику 14 тока потечет ток. На началах всех обмоток трансформатора 7 установится положиЯ тельная ЭДС по отрошвнию к их концам и, следовательно ЭДС обмотки 9 создает ток, который потечет по кон-»

7 10010 открывается. Эти два описанных процесса включения и выключения ключей 12 и

13 будут сменять друг друга, обеспвчивая устойчивый режим работы двухтактного генератора. Транзисторы 2 и и

3 импульсного модулятора 1 также будут поочередно включаться и выключать ся, обеспечивая беспрерывное соеди" нение входного вывода и стабилизатора с входом LCD-фильтра, так как время о выключения транзисторов всегда больше их времени включения, а генерируемые двухполярные импульсы на обмотках

10 и 11 управления равны по длительности и их Фронты совпадают. Напря" жение на конденсаторе 26 сохраняется .практически постоянным, так как длительность тока выключения базы транзисторов 2 и 3 иного меньше длительности тока базы их включенного 20 состояния.

Ключи 12 и 13 обладают тем же свой ством различия времени включения и выключения, так как они, как правило, выполняются на транзисторах. По- И этому в момент сиены состояния ключей 12 и 13 закрывающийся ключ будет

: находится некоторое время в открытом состоянии и совместно с открывшимся вторым ключом обеспечит кратко- зф временное появление единичных уровней на выводах сразу обоих датчиков 14 и

15 тока. Это объясняется тем., что динамическое сопротивление полуобмоток

8 s это время будет мапо вследствие вычитания их ИДС. Появление единичного уровня на выходе датчика тока включаемого ключа может возвратить триггер 17 в предыдущее состояние вследствие чего включаемый триггер выключится, а выключаемый - включится, т.е. это приведет к неустойчивой генерации двухтактного генератора.

В схеме предлагаемого устройства зто отрицательное явление устранено благодаря тому, что выходы датчиков 14 и 15 тока поданы, как описывалось выше, на входы элемента И-НЕ 23, а его выход - на вторые входы элементов ИНЕ 21 и 22, Поэтому кратковременное существование единичных уровней сразу на обоих датчиках 14 и 1 тока обеспечивает нулевой уровень на входах элементе И-НЕ 21, который блокирует реализацию функции элементов

И-НЕ 16 и 19 и тем самым исключает переключение счетного О-триггера l7

-,ложным единичным уровнем, поступающим с датчика тока включаемого ключа

12 и 13. Как только сигнал на выходе компаратора 24 сменится с единичного уровня на нулевой, оба ключа 12 и 13 через элементы 18 и 10 выключаются. Изменит на противоположное состояние и триггер 17 под действием сигнала с выхода элемента 20, приложенного к счетному .входу С. Одновременно с этим ключ 16 включится и действующая ЭДС на обмотках трансформатора 7 в момент выключения ключей 12 и 13 закоротится через обмотку 10, выпрямитель 11 и открытый ключ 16.

Исчезновение напряжений на обмотке 9 и установившийся короткозамкнутый режим трансформатора 7 обеспечивает подачу на базы транзисторов 2 и 3 отрицательного потенциала конденсатора

26, что позволяет быстро закрыться открытому в данный момент транзистору.

При непосредственном соединении средней точки обмотки 9 с объединенными эмиттерами транзисторов 2 и в момент закорачивания обмотки 10 в базо-эмиттерном контуре ранее открытого транзистора потечет импульс обратного тока, обусловленный зарядом носителей в базе ранее открытого транзистора, уменьшая время рассеивания носителей. Цепочка из стабилитрона

25 и конденсатора 26 увеличивает статические потери в контуре управления, но уменьшает потери в транзисторах

2 и 3 на этапе времени спада, Поэтому необходимость этой цепочки и ее параметры должны определяться исходя из конкретных условий применения импульсного стабилизатора, величины входного напряжения, частоты коммутации и т.п, Таким образом, совокупность общих существенных признаков изобретения по- зволяет уменьшить потери в транзисторах силового ключа при их выключении, что позволяет повысить КПД импульсного стабилизатора постоянного напряжения.

Кроме того, предлагаемая схема генератора прямоугольных импульсов и блока управления позволяет повысить надежность системы управления импульсного, стабилизатора, а также использовать достижением технологии полупроводниковых микросхем для миниатюриза.ции импульсного стабилизатора постоянного напряжения.

Технико-экономический эффект приме" нения изобретения, обусловлен повыше9 1001 нием КПД импульсного стаЬилиэаторз постоянного напряжения и возможностью его миниатюризации и будет возрастать с ростом входного напряжения и частоты коммутации силового ключа., S

Формула изобретения

1. Импульсный стабилизатор посто- © янного напряжения, содержащий LC0фильтр и силовой ключ, выполненный на двух параллельно включенных транзисторах, объединенные эмиттеры ко.торых соединены со средним выводом, а базы - с крайними выводами вторичной обмотки трансформатора, пер.вичной обмоткой соединенного с выходом генератора прямоугольных импульсов, управляющим входом подключенно- 20 .rcpt к .прямому выходу блока управления, входом соединенного с выходными выводами, о т л и ч а ю щ и й.с я тем, что, с целью увеличения КПД им" пуЛьсного стабилизатора постоянного 2S напряжения путем уменьшения потерь при выкпючении его силового ключа, указанный трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, подключенной через введенный выпрямитель, к вве- зв денному замыкающему ключу, управляющим входом соединенному с введенным инверсным выходом блока управления.

2. Импульсный стабилизатор посто.янного напряжения по и. 1, о т л и- 3 . ч а ю шийся тем, что указанный генератор прямоугольных импульсов вы. полнен по двухтактной схеме со средней точкой на двух управляющих ключах и датчиках тока, управляющим вхо- дом соединен с указанным прямым двух049 10 тактным выходом блока управления, содержащим два логических элемента И, образуоци х прямой двухта ктный выход, элемент НЕ, выходом соединенный с инверсным выходом блока .управления, счетный О-триггер, три элемента ИНЕ и компаратор,один вход которого соединен с входом блока управления, а другой - с источником опорного напряжения, при этом выход первого датчика тока через первый вход первого элемента И-НЕ, его выход, вхор R счетного О-триггера, его инверсный выход, первый вход первого элемента

И и его выход соединен с управляющим входом второго управляющего ключа, а выход второго датчика тока через первый вход второго элемента ИНЕ, его выход, вход S 0=триггера, его прямой выход, первый вход второго элемента И и его выход соединен с управляющим входом nepsoro управляющего ключа, при этом вторые входы указанных элементов И-HE соединены с выходом третьего элемента И-НЕ, два входа которого соединены попарно с указанными выходами датчиков тока, а вторые входы указанных элементов И соединены с выходом компаратора и входом элемента НЕ, выход которого соединен со счетным входом 0триггера и, через инверсный выход блока управления - с управляющим входом замыкающего ключа.

Источни ки информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

И 589680; кл 6 05 F.1/56 1975.

2. Авторское свидетельство СССР

t" 679965, кл. G 05 F 1/56, 1977.

1001049

Составитель В.Цишевский

Редактор Н.Гришанова Техред Т.Иаточка Корректор E.Ðîøêî

Заказ 1393/53 Тираж 872 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4