Способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения и устройство для его осуществления
Патент 2096900
Авторы
Классы МПК
Способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения и устройство для его осуществления
Реферат
Использование: Изобретение относится к электротехнике, к преобразовательной технике. Сущность изобретения: техническим результатом при создании данного изобретения является повышение стабильности выходного напряжения и надежности за счет повышения помехоустойчивости. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения новым является то, что формирование напряжения на выходе инвертора осуществляют в резонансном контуре за счет переключения транзисторов инвертора по заданному алгоритму, обеспечиваемому минимально возможными симметричными циклами импульсов, формируемыми на выходе задающего генератора и запускающими транзисторы инвертора, при этом возбуждение задающего генератора производят по команде запускающего сигнала с задержкой, в течении которой запускающий сигнал должен быть непрерывным, а срыв формирования импульсов на выходе задающего генератора осуществляют по команде запирающего сигнала в момент окончания текущего цикла импульсов на выходе задающего генератора. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для стабилизации выходного напряжения, новым является то, что введены блок запуска и тактовый генератор, инвертор выполнен по схеме с резонансным контуром, а выходы задающего генератора соединены с входами управления усилителя мощности, вход управления задающего генератора соединен с выходом блока запуска, соединенного входом управления с выходом схемы сравнения, входы синхронизации задающего генератора и блока запуска соединены с выходами тактового генератора. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике, к преобразовательной технике, в частности к преобразованию постоянного напряжения одного уровня в стабилизированное постоянное напряжение другого уровня с применением резонансного (квазирезонансного) инвертора, и может быть использовано для построения источников вторичного электропитания.
Известен частотный способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения (Ф.И. Александров, А.Р. Сиваков. Импульсные преобразователи и стабилизаторы. Л. Энергия, 1970, с. 21 23). Способ заключается в том, что производят измерение выходного напряжения, сравнивают его с опорным напряжением, формируют сигнал ошибки, изменяют частоту задающего генератора в функции напряжения сигнала ошибки так, чтобы величина выходного напряжения поддерживалась постоянной. Недостатком частотного способа является высокая динамическая нестабильность выходного напряжения в режиме импульсной нагрузки из-за плохих динамических свойств сглаживающего фильтра LC-типа, наличие дросселя в котором обязательно. Существенное уменьшение динамической нестабильности достигается при использовании двухпозиционного способа стабилизации выходного напряжения, так как разработанные на его основе преобразователи не содержат в составе выходного фильтра сглаживающий дроссель. Наиболее близким к заявляемому является способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения (Ф.И. Александров, А.Р. Сиваков. "Импульсные преобразователи и стабилизаторы" Л. Энергия, 1970, с. 16). Способ по прототипу включает измерение выходного напряжения и сравнение его с двумя заданными значениями, формирование запирающего и запускающего сигналов, управление задающим генератором, возбуждение и срыв колебаний в силовом контуре преобразователя. Недостатком прототипа является низкая стабильность выходного напряжения, а также недостаточный уровень надежности из-за низкой помехоустойчивости. Известно устройство для стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя ( авт. св. СССР N 614504, кл. H 02 M 3/335, опублик. 1978, бюл. N 25). Устройство содержит усилитель мощности с силовым трансформатором, выпрямитель, фильтр, подсоединенный к нагрузке и двухпозиционному электронному реле (схеме сравнения). Недостатком известного устройства является низкая стабильность и надежность при изменении тока нагрузки в широком диапазоне. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения (авт.св. СССР N 928330, кл. H 02 M 3/335, опублик. 1982, бюл. N 18), выполненного в виде последовательно соединенных инвертора с силовым трансформатором в его выходной цепи, выпрямителя и фильтра, содержащее усилитель мощности, соединенный выходами с входами управления инвертора, задающий генератор и схему сравнения, соединенную входом с выходом фильтра. Однако это устройство также обладает низкой стабильностью выходного напряжения и недостаточным уровнем надежности из-за низкой помехоустойчивости устройства, поскольку длительность импульсов на входах управления инвертора определяется текущими (мгновенными) значениями сигнала на выходе схемы сравнения. При создании изобретения решалась задача обеспечения высокостабильным питанием импульсно-периодических электрофизических устройств с широким динамическим диапазоном потребляемого тока и работающих в условиях с высоким уровнем радиопомех. Техническим результатом данного изобретения является повышение стабильности выходного напряжения и надежности за счет повышения помехоусточивости. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения, выполненного в виде последовательно соединенных инвертора с силовым трансформатором в его выходной цепи, выпрямителя и фильтра, по которому измеряют выходное напряжение, сравнивают его с нижним и верхним заданными уровнями, формируют запускающий сигнал, когда выходное напряжение достигает нижний заданный уровень, и запирающий сигнал, когда выходное напряжение достигает верхний заданный уровень, новым является то, что формирование напряжения на выходе инвертора осуществляют в резонансном контуре за счет переключения транзисторов инвертора по заданному алгоритму, обеспечиваемому минимально возможными симметричными циклами импульсов, формируемыми на выходе задающего генератора и запускающими транзисторы инвертора, при этом возбуждение задающего генератора производят по команде запускающего сигнала с задержкой, в течение которой запускающий сигнал должен быть непрерывным, а срыв формирования импульсов на выходе задающего генератора осуществляют по команде запирающего сигнала в момент окончания текущего цикла импульсов на выходе задающего генератора. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для стабилизации выходного напряжения, выполненного в виде последовательно соединенных инвертора с силовым трансформатором в его выходной цепи, выпрямителя и фильтра, содержащим усилитель мощности, соединенный выходами с входами управления инвертора, задающий генератор и схему сравнения, соединенную входом с выходом фильтра, новым является то, что введены блок запуска и тактовый генератор, инвертор выполнен по схеме с резонансным контуром, а выходы задающего генератора соединены с входами управления усилителя мощности, вход управления задающего генератора соединен с выходом блока запуска, соединенного входом управления с выходом схемы сравнения, входы синхронизации задающего генератора и блока запуска соединены с выходами тактового генератора. Введение задержки на возбуждение колебаний по команде запускающего сигнала и синхронизация срыва колебаний по команде запирающего сигнала с моментом окончания автономного цикла позволяют увеличить стабильность выходного напряжения и повысить надежность за счет улучшения помехоустойчивости наиболее слабого звена, которым является управление задающим генератором. Момент срыва колебаний в инверторе определяется не мгновенным значением запирающего сигнала, а временем окончания автономного цикла задающего генератора, когда ток в транзисторах равен или близок к нулю, и не происходит нарушения заданного алгоритма управления транзисторами. Инициирование работы задающего генератора производится запускающими сигналами, длительность которых превышает заданную, что уменьшает вероятность запуска задающего генератора короткоимпульсными сигналами помех. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие заявляемый способ стабилизации. Устройство для стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения содержит усилитель 1 мощности (УМ), входы управления которого подключены к выводам задающего генератора 2 (ЗГ), высокочастотный выпрямитель 3, емкостной фильтр 4, подключенный к нагрузке 5, схему сравнения 6 (СС) и блок запуска 7 (БЗ). Устройство также содержит резонансный инвертор 8 с силовым трансформатором 9 и тактовый генератор 10 (ТГ), причем выходы управления инвертора 8 подключены к выходам УМ, силовой вход инвертора подсоединен к источнику первичного питания 11, выход инвертора через трансформатор 9 соединен с высокочастотным выпрямителем 3, а выходы ТГ 10 подключены к вторым входам ЗГ 2 и БЗ 7. Первый вход задающего генератора соединен с выходом блока запуска 7, первый вход которого идет на выход схемы сравнения 6. Кроме того, устройство содержит делитель выходного напряжения 12 (ДВН), нижнее плечо которого подключено к первому входу СС 6, и источник эталонного напряжения 13 (ИЭН), подключенный к второму входу СС 6. Делитель 12 и источник 13 вместе с элементами 2, 6, 7, 10 объединены в блок 14 управления (БУ). Элементы 1, 3, 4, 8, 9 входят в состав резонансного преобразователя 15. На фиг. 2 приведены диаграммы: I напряжения на выходе СС 6; II - напряжения на выходе БЗ 7; III интервалов генерации ЗГ 2; IV тока в силовом контуре инвертора 8, и использованы следующие обозначения: 16 ложные запускающий и запирающий сигналы, вызванные помехами; 17 запирающий сигнал; 18 запускающий сигнал; Tз интервал задержки; Tц интервал автономного цикла генерации ЗГ; tн момент равенства выходного напряжения и заданного нижнего уровня; tв момент равенства выходного напряжения и заданного верхнего уровня. Способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения осуществляют следующим образом. Производят измерение выходного напряжения, сравнивают его с заданными верхним и нижним значениями, формируют запускающий сигнал 18, когда выходное напряжение достигает нижний заданный уровень, и запирающий сигнал 17, когда оно достигает верхний заданный уровень (фиг. 2, диагр. I). Управление задающим генератором осуществляют запирающим и запускающим сигналами. Если на входе задающего генератора присутствует запускающий сигнал, то под воздействием импульсов на его выходах в инверторе возбуждаются колебания. В результате емкость фильтра 4 заряжается и выходное напряжение плавно возрастает. Если на входе задающего генератора имеется запирающий сигнал, то выходная емкость фильтра 4 отключается от первичного источника 11 и выходное напряжение плавно уменьшается. Заданные верхний и нижний уровни определяют диапазон изменения выходного напряжения. Для возбуждения колебаний в резонансном преобразователе (инверторе) необходимо соблюдать заданный алгоритм управления транзисторами (фиг. 2, диагр. IV). Этот алгоритм обеспечивается автономным циклом Tц работы задающего генератора и является минимальным из возможных симметричных циклов. Срыв колебаний в резонансном преобразователе производят по команде запирающего сигнала 17 синхронно с окончанием текущего автономного цикла (фиг. 2, диагр. III, IV). Возбуждение колебаний производят по команде запускающего сигнала 18 с задержкой Tз, в течение которой запускающий сигнал должен быть непрерывным. Заявляемое устройство работает следующим образом. Подключают первый источник питания 11 к нагрузке 5 через устройство, состоящее из резонансного преобразователя 15 и блока управления 14. В начальный момент, когда напряжение на нагрузке 5 равно нулю, на выходе схемы сравнения 6 устанавливается запускающий сигнал 18 (фиг. 2, диагр. I), управляющий блоком запуска 7. Если сигнал 18 непрерывен в течение времени T3 (фиг. 2, диагр. II), то в конце этого интервала блок 7 вырабатывает импульс, возбуждающий ЗГ 2. Производится генерация первых четырех импульсов и в момент окончания последнего, в конце интервала Tц (фиг. 2, диагр. III), в зависимости от уровня управляющего сигнала на входе блока 7 происходит либо запуск очередного четырехтактового цикла, либо прекращение генерации. Поскольку в начальный момент напряжение на нагрузке 5 ниже заданного верхнего значения, на выходе СС 6 постоянно присутствует запускающий сигнал, под действием которого блок 7 непрерывно перезапускает четырехтактовые циклы генерации ЗГ 2. Тактовый генератор 10 осуществляет синхронизацию вырабатываемых блоком 7 импульсов с моментами окончания автономных циклов. Импульсы ЗГ после их усиления блоком УМ 1 переключают транзисторы инвертора 2 по заданному алгоритму, обеспечивающему в резонансном контуре инвертора 8, включающем первую обмотку трансформатора 9, устойчивые колебания с квазисинусоидальной формой тока (фиг. 2, диагр. IV). Трансформатор осуществляет гальваническую развязку нагрузки 5 от источника 11 и обеспечивает заданную величину переменного напряжения на входе высокочастотного выпрямителя 3. Выпрямленные импульсы заряжают выходную емкость фильтра 4, напряжение на которой плавно нарастает. Это напряжение поступает на нагрузку 5 и блок ДВН 12, где его линейно преобразуют для сравнения в блоке 6 с эталонным напряжением Uэ, вырабатываемым ИЭН 13. В момент tв (фиг. 2, диагр. I) равенства сравниваемого напряжения с эталонным Uэ напряжение на выходе блока 6 переключают в нижнее состояние, вырабатывая запирающий сигнал. Последний поступает на вход блока БЗ 7 и блокирует выработку перезапускающего импульса в момент окончания текущего четырехтактового цикла генерации 2 (фиг. 2, диагр. III). В результате срываются колебания в инверторе 8 и нагрузка отключается от первичного источника 11. Напряжение на нагрузке при включенном инверторе 8 поддерживается за счет энергии, накопленной в выходной емкости фильтра 4. С течением времени это напряжение уменьшается, соответственно вызывая уменьшение своего линейного аналога на входе схемы сравнения 6, имеющей заданный гистерезис Uг Поэтому напряжение на нагрузке продолжает снижаться до тех пор, пока сравниваемое напряжение не достигнет уровня Uэ-Uг В этот момент tн (фиг. 2, диагр. II) на выходе блока 6 вырабатывается запускающий сигнал, под действием которого блок 7 с задержкой Tз формирует импульсы, обеспечивающие генерацию ЗГ 2. В силовом контуре инвертора 8 возбуждаются колебания и напряжение на нагрузке начинает возрастать до верхнего заданного значения. Далее последовательность операций в процессе стабилизации выходного напряжения повторяется аналогично описанной выше, удерживая выходное напряжение в заданных пределах. Учитывая, что величина гистерезиса Uг много меньше эталонного напряжения Uз, можно считать, что выходное напряжение поддерживается практически постоянным. Следует отметить, что изменение входного напряжения и(или) тока нагрузки в процессе стабилизации приводит только к изменению скорости нарастания и спада выходного напряжения, а предел его колебаний остается прежним. Предложенный способ и устройство были использованы при создании ряда макетов стабилизированных источников питания импульсных газоразрядных устройств мощностью 20-300 Вт. Питание преобразователей производилось от сети переменного тока напряжением 220 В через сетевой выпрямитель с бестрансформаторным входом. Резонансные преобразователи были выполнены на биполярных транзисторах КТ862, КТ847, в состав высокочастотных выпрямителей с емкостными фильтрами входили диоды К226, К213 и конденсаторы типа К50-27, К50-29. Частота преобразования электроэнергии составляла от 30 до 40 кГц. В блоке управления в качестве схемы сравнения использовался таймер М1006ВИ1. Задающий генератор и блок запуска были выполнены на интегральных микросхемах типа 561ИР9, 561ТВ1 соответственно. Усилители мощности двухтактные, а тактовый генератор построен по известной схеме на трех логических элементах микросхемы 561ЛА7. Таким образом, данное изобретение позволяет снизить уровень нестабильности выходного напряжения до 1,5% в условиях мощных радиопомех. Надежность обеспечивается малой энергией, рассеиваемой при переключении транзисторов, строгим исполнением алгоритма переключения транзисторов и симметричностью нагрузки на сердечник выходного трансформатора.Формула изобретения
1. Способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения, выполненного в виде последовательно соединенных инвертора с силовым трансформатором в его выходной цепи, выпрямителя и фильтра, по которому измеряют выходное напряжение, сравнивают его с нижним и верхним заданными уровнями, формируют запускающий сигнал, когда выходное напряжение достигает нижний заданный уровень и запирающий сигнал, когда выходное напряжение достигает верхний заданный уровень, отличающийся тем, что формирование напряжения на выходе инвертора осуществляют в резонансном контуре за счет переключения транзисторов инвертора по заданному алгоритму, обеспечиваемому минимально-возможными симметричными циклами импульсов, формируемыми на выходе задающего генератора и запускающими транзисторы инвертора, при этом возбуждение задающего генератора производят по команде запускающего сигнала с задержкой, в течение которой запускающий сигнал должен быть непрерывным, а срыв формирования импульсов на выходе задающего генератора осуществляют по команде запирающего сигнала в момент окончания текучего цикла импульсов на выходе задающего генератора. 2. Устройство для стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения, выполненное в виде последовательно соединенных инвертора с силовым трансформатором в его выходной цепи, выпрямителя и фильтра, содержащее усилитель мощности, соединенный выходами с входами управления инвертора, задающий генератор и схему сравнения, соединенную входом с выходом фильтра, отличающееся тем, что введены блок запуска и тактовый генератор, инвертор выполнен по схеме с резонансным контуром, а выходы задающего генератора соединены с входами управления усилителя мощности, вход управления задающего генератора соединен с выходом блока запуска, соединенного входом управления с выходом схемы сравнения, входы синхронизации задающего генератора и блока запуска соединены с выходами тактового генератора.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2