Импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока

Импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАН ИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

W"" - + "Ъ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51) М, Кл.г

G 05 F 1/64

Н 02М 3/335 (22) Заявлено 22.12.77 (21) 2557250/24-07 с присоединением заявки №вЂ”

Гооударотвеииый комитет

СССР де делам изобретений и открытий. (23) Приоритет ( (43) Опубликовано 30.06.80. Бюллетень № 24 (45) Дата опубликования описания 30.06.80 (53) УДК 621.316.722. .1 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. К, Копыл, А. И. Гудименко, Н. А. Сафронов, В, Н. Скачко и О, А. Жученко (71) Заявитель (54) ИМПУЛЬСНЫЛ СТАбИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Описываемый источник питания относится к области электротехники и может быть использован для -питания различных электро- и радиотехнических устройств, устройств автоматики, вычислительной техники и т.д. .Известен стабилизатор постоянного на. пряжения, в котором между выходом индуктивно-емкостного фильтра и выходом источника включены преобразователь напряжения с трансформатором и выпрямитель.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является импульсный стабилизатор напряжения йостоянного тока, содержащий последовательно включенные между входными и выходными клеммами ключевой транзистор LCDфильтр, преобразователь постоянного напряжения с генератором прямоугольного напряжения и выходным трансформатором, вход которого соединен с выходом сглаживающего фильтра, выпрямитель, вход которого соединен со вторичной обмоткой выходного трансформатора, а выход — с выходными клеммами, широтнб-импульсный модулятор, выходом соединенный с управляющим входом ключевого транзистора, генератор пилообразного напряжения, вход которого подключен к дополнительной обмотке выходного трансформатора, а вы2 ход — " к .первомy входу широтно-импульсного модулятора, второй вход которого соединен с выходом источника опорного на-. пряжения.

5 Недостатком импульсного стабилизатора является значительное повышение выход- ного напряжения (на 40 — 60%) при пробое ключевого транзиСтора, что может привести к необратимым повреждениям в объекте

10 питания.

Целью изобретения является предотвращение превышения выходного напряжения при пробое ключевого транзистора без применения устройств защиты, а также, умень15 шение времени спадания выходного напряжения при его выключении.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсном стабилизаторе напряжения постоянного тока в качестве генератора

20 прямоугольного напряжения преобразователя постоянного напряжения использован триггер со счетным входом, подключенным к дополнительной обмотке дросселя сглаживающего фильтра, Кроме того, в него

25 дополнительно введен генератор строб-импульсов, по цепям питания соединенный с входными клеммами, а выход генератора соединен с вторым выходом широтно-импульсного модулятора, причем генератор зо строб-импульсов выполнен на однопереход744626

3 4 иом транзисторе, между первой базой кото- опорное напряжение на опорном входе шиpord и эмиттером включен первый резистор, "ротно-импульсного модулятора 11; 32 — намежду эмиттером и второй базой — конден- пряжение на выходе ключевого транзисто .", сатар, при .этом базы однопереходного ра 1 (на общей точке его коллектора и ..транзистора через второй резистор подклю- 5 фильтра 2) во время запуска до того мочены к цепям питания генератора строб- мента, когда выходное напряжение ключеимпульсов, а параллельно второму резисто- вого стабилизированного источника пита, ру через дифференцирующую КС-цепочку ння, нарастая после включения, еще не доподключен переход база — эмиттер согла- стигло номинального значения; 33 — синсующего транзистора, коллектор которого 10 хроимпульсы, снимаемые с дополнительной связан с вйходом источника опорного на- обмотки 10 для синхронизации генератора 7 пряжения,,::.:, во время запуска источника питания; 34—

На фиг, 1 представлена схема импульс- напряжение генератора 7 между обоими его ного стабилизатора напряжения постоян- симметричными между собой выходами; ного тока.:.: ::-:. ;, .: .;, .::: 15 35 — выходное напряжение генератора пиМежду его входом и выходом последова- лообразного напряжения 16 в установивтельно включены переход эмиттер — кол- шейся режиме; 36 — опорное напряжение, лектор ключевого транзистора 1, фильтр 2, наложенное на пилообразное напряжение состоящий из дросселя 3, конденсатора 4 и генератора 16; 37 — напряжение на выходе демпферного диода 5, преобразователя на- 20 ключевого транзистора в установившемся пряжения 6 с генератором прямоугольйого режиме.. напряжения 7 и трансформатором 8 и вы- . При подаче на стабилизатор первичной прямитель 9. Генератор прямоугольного сети открывается ключевой транзистор 1, и напряжения 7 представляет собой триггер начинается заряд конденсатора 4 фильтра 2 со счетным входом,. подключеннйм к до- 25 через транзистор 1 и дроссель 3. Одновреполнительной обмотке 10 дросселя 3 фильт- менно начинают работу источник опорного ра 2.: :: ::, - -. :, ":-:: .: напряжения 13 и задающий генератор 21.

Переход эмиттер — база ключевого трай- Выходные импульсы задающего генеразистора 1 подключен к выходу шйротно- . тора 21 (см. эпюру 30 на фиг. 2) через дифимпульсного модулятора 11, один вход ко- з0 ференцирующую цепочку 26 поступают на торого через резистор 12 подключен к ис- переход база — эмиттер транзистора 29,отточнику опорного йапряжения 13, в данном крывая его на время действия импульса на случае состоящему из последовательйо этот переход. Так как переход коллектор— включенных резйстора 14 и стабилитройа 15, эмиттер этого транзистора подключен к

:а Второй Вхоа подключен к выходу генера- з5 опорному входу широтно-импульсного мотора пилообразного напряжения 16, состоя- . дулятора 11, к которому через резистор 12 . щего из последовательно включенных (со подключен выход источника опорного наВхода на выход) конденсатора 17, выйря- ., пряжения 13, то опорное напряжение, снимительйого моста 18 и резистора 19. Вход маемое со стабнлитрона 15, на .входе шигенератора пилообразного напряжения rida- 40 ротно-импульсного модулятора будет иметь ключей к обмотке 20 трансформатора 8., вид,"представленный эпюрой 31 фиг. 2,т.е.

В задающем генераторе 21, представляю- на время- наличия строб-импульса задающем собой генератор строб-импульсов, меж- щего генератора 21 напряжение на опорном ду одной из баз однопереходного трайзис- входе широтно-импульсного модулятора тора 22 и его эмиттером.включен резистор 45 будет исчезать (наличию этого напряжения

23, а между эмиттером,и второй базой од- "eoîòâåòñòâóåò отрицательный уровень отнонопереходного транзистора включен кон-, сительно шйны «+» первичной сети), а так „ денсатор 24. Базы однопереходного" тран-., как йри отсутствии опорного напряжения зистора через резистор 25 подключены к ": на входе широтно-импульсного модулятора входным зажимам источника питания. Ре- 50 всегда будет закрыт и ключевой транзисзистор 26 одновременно йодключей к выхо- тор, то импульсы на коллекторе транзистоду генератора строб-импульсов, который - ра (относительно шины « — » первичной сечерез дифференцирующую ЯС-цепочку 26, ти) будет иметь вид, показанный эпюрой 32 выполненную на конденсаторе 27 и резисто- фиг. 2. Поскольку "при закрйвании транзисре 28, подключен к переходу база — эмит- 55 тора 1 пройсходит разряд конденсатора 4 тер согласующего транзистора 29. Переход фильтра 2 через дроссель 3 и демпферный коллектор-эмиттер этого транзистора под- диод 5, то на время закрытого состояния ключеи параллельно опорному вхЬду ши- транзистора 1 на обмотке 10 дросселя 3возротно-импульсного модулятора 11, соеди- :: иикает импульс (см. фиг. 2, эпюра 33), коненному через резистор 12 с выходом источ- 60 торый поступает на счетный вход генератоника опорного напряжения 13. ра (триггера) 7, в результате чего он переНа фиг. 2 приведейы эпюры характерных брасывается каждый раз прн поступлении точек схемы предложенного импульсного очередного импульса (см. эпюру 34 на стабилизатора, где 30 — выходные строб- фиг. 2). Амплитуда импульсов на дополйиимпульсы задающего генератора 21; 31 — 65 тельной обмотке дросселя, начиная с мо744525 напряжение, соответствует закрытое состояние ключевого транзистора и, наоборот, . моментам времени, когда напряжение «пилы» меньше опорного напряжения, соответствует открытое состояние ключевого транзистора. Для наглядности на эпюру

35 (фиг. 2) наложено опорное напряжение — эпюра 36 — на "котором имеются также характерные для предложенного стабилизатора провалы (отрицательное опорное напряжение проваливается к нулю), обусловленные работой согласующего транзистора 29, связанного с генератором стробимпульсов 21. Итак по мере нарастания выходного напряжейия-стабилизатора начинается увеличение амплитуды напряжения

«пилы» и изменение скважности работы ключевого транзистора, регулирование которой со стороны широтно-импульсного модулятора осуществляется так, чтобы напряжение на выходе стабилизатора установилось, а затем. и поддерживалось на за данном уровне. С этого момента начинается стабилизация выходного напряжения стабилизатора, в процессе которой прн изменении величины напряжения первичной сети или тока нагрузки автоматически изменяется скважность (ширина) импульсов ключевого транзпстора (см. эпюру 37 на фнг, 2), т. е, изменяется тот момент времени ° .(относительно момента закрывания ключевого транзистора), когда ключевой транзистор откроется после паузы тока . через этот транзистор, Но при любой скважности работы ключевого транзистора моменты закрывания этого транзистора не зависят от дйнамики стабилизации и строго совпадают с генерацией строб-импульсов задающим генератором 21, так как при каждом его импульсе происходит провал опорного напряжения, закрывание ключевого транзистора, переброс триггера, релаксация генератора пилообразного напряжения (когда напряжение «пилы» очень быстро принимает свое максимальное значение и затем медленно уменьшается), а большим значениям напряжения «пилы» опятьтаки соответствуют паузы тока через ключевой транзистор. Поэтому, как и задаюгций генератор прототипа, триггер заявленного стабилизатора работает независимо от величины напряжения сети и тока нагрузки: переброс триггера всегда происходит синхронно со строб-импульсами задающего генератора и передним фронтом импульса напряжения на выходе ключевого транзистора при его закрывании независимо от длительности йаузы прохождения тока через него: незначительной (при запуске стабилизатора, когда она определяется длительностью строб-импульса) или произ6 мента включения источника питания и до момента установления режима работы источника питания, возрастает по экспоненци льному закону (за счет нарастания по такому же закону напряжения на конденса- 5 торе 4). Поэтому триггер 7 может начать работу не с первого импульса, если его амплитуда будет недостаточной для синхронизации триггера, а с любого последующего. Синхронизация триггера может осу- 10 ществляться и непосредственнО от коллек- тора ключевого транзйстора 1. Выбор конкретйого варианта синхронизации — от дополнительной обмотки дросселя или непосредственно от ключевого транзистора — 15 определяется тем; как наиболее удобно согласовывать вход используемого триггера с источником синхроимпульсов, исходя из требуемых нх полярности и амплитуды.

Прямоугольное напряжение триггера 7 воз- 20 буждает преобразователь напряжения 6, выходное напряжение которого, также пря- моугольное, подается на выпрямитель 9 и далее на выход источника питания. Во всех возможных вариантах выполнения преобра- 25 зователя напряжения 6, когда первичная обмотка трансформатора 8 подключена к генератору прямоугольного напряжения 7 непосредственно или если требуется большая выходная мощность, между генерато- З0 ром прямоугольного напряжения 7 и трансформатором 8 установлен усилитель мощности, Этот преобразователь, как и во всех известных ключевых источниках питания, имеющих преобразователь, при смене полу- 35 периодов генератора прямоугольного напряжения 7 коммутирует выходное напряжение фильтра к различным обмоткам (полуобмоткам) трансформатора 8, превращая

его на вторичных обмотках в напряжение 40 переменного тока. Получаемое с одной из вторичных обмоток напр жение выпрямляется выпрямнзелем 9 и подается на выход стабилизатора, т. е. на нагрузку.

При работе преобразо ателя напряжения 45

6 возникает прямоугольное напряжение и на обмотке 20 трансформатора 8. Это может быть как обмотка трансформатора, включенного между("генер атором прямо- угольного напряжения (усилнтелем мощно- 50 стн) и выпрямителем, так и обмотка выходного трансформатора преобпазователя развязки, В.первом случае обратная связь на широтно-импульсный модулятор будет осуществляться с обмотки выходного транС- 55 форматора преобразователя напряжения, во втопом случае — непосредственно с выхода стабилизатора, Появившееся при включении источника питания йрямоугОльное на -" " "пряжение на обмотке 20 вызовет работу 50 генератора пилообразного напряжения 16, и на резисторе 19 возникнут импульсы пи- лообразного напряжения (см. эпюру 35 на фиг. 2). При сравнении этого напряжения с опорным напряжением в широтно 814- 65

6 пульсном . модуляторе 11, формируются импульсы управления работой ключевого транзистора: моментам времени, когда напряжение «пилы» превышает опорное

7445257---- - 8 волр1ои в зависимостй от динамики работы раллелы«о переходу база эмиттер согла стабилизатора после его запуска. -- -- ----""- - - сующего транзистора.

В случае надобности коэффициент стаби- Эти и другие возможные виды дистанци лизации может быть повышен путем под- онного управления стабилизатора основаны ключсния к широтно-импульсному модуля- 5 на принципе. такого изменения состояния тору цепи прямой компенсирующей связи от его схемы, при ««otîðîì "исчезнут импульсы

В дополнительной обмотки дросселя фильтра. на выходе ключевого транзистора, Конкр тэтом случае дроссель может иметь" две ный вид управления выбирается исходя из дополнительные обмотки: одну для синхро- условия наиболее удобного согласования низаций триггера, а другую для цепи пря- 10 узлов заявленного стабилизатора с элеменмой компенсирующей связи.-: "::- :- " ."-"" -": "таМи -дистанционного управления.

3 изложенного принципа работы заяв- С выхода предлагаемого стабилизатор1, ленного стабилизатора следует, что импуль- «<ак и с вйхода многих из известных анало- . сы задающего строб-генератора при ис- гичных устройств, может cHHMBTbcH нетольправностн широтно-импульсного модулято- 15 «о постояйное йапряжение, но и переменное ра и ключевого транзистора прбходят через прямоугольной "формы, частота которого эти узлы и синхронизируют триггер, Поэто-: равна частоте раббты преобразователя наму, если возникнет отказ какого-либо-тран- пряжения. В этом случае нагрузка подклю зпстора широтно-импульсного модулятора чается непосредственно к одной из вторичили ключевого транзистора вследствие про- 20 ных обмоток трансформатора преобразовабоя в нем или обрыва какого-либо его элек- теля напряжения. трода, импульсы на дополнительной 06M6T-.;. ке дросселя, как. и на выходе ключевого" - ф p y транзистора, исчезнут, и синхронизация ормула изобретения триггера прекратится. В результате прекра- 25 1. Импульсный стабилизатор напряжения тит работу преобразователь напря«кения 6, постоянного тока, содержащий последоваи передача энергии на вторичные обмотки, тельно включенный между входными и выа значит и на выход источника* Йй айия"," ходными клеммами ключевой транзистор, прекратится. При пробое ключевого тран- LCD-фильтр, йреобразователь постоянного зистора поднимется лишь напряжение на 30 напряжения с генератором прямоугольного выходе фильтра, увеличившись до уровня" . напряжения и выходным трансформатором, напряжения первичной сети, но так как вход которого сс"..динен с выходом сглажипрообразователь напряженйя сразу же пе- вающего ф««дыра, вйпрямитель, вход которестанет работать, напряжение на выходе рого соединен с вторичнОй обмоткой выс-аб«. нзаора с;йдет до нуля, что предот- 35 ходнбго трансформатора, а выход — с вывратит превышенп напряжения на выходе - ходнь1ми клеммами, "широтно-импульсный стабилизатора, а значит," и"" возЮЙйость модулятор, вь«ходом соединенный с управ-: ьнесения в объект питания повреждений. " ляющпм входом ключевого транз

p,,оченин стабилизатора тотчас генератор пилообразного напряжейия, вхо р истора, же и .",кратит работу задающий генератор 40 которого подключен к дополнительной оби его строб-импульсы больше не будут по- мотке выходного трансформат м ора, а выширотно-импульсныи модулятор, ход — к первому входу широтно-и и р у а е чего, как уже ясно из выше- го модулятора, второй вход которого сое и- м ул ьсно,сказанного, триггер остановится и передачй нен с выходом источника опорного напряэнергии от конденсатора фильтра на на- 45 жения, отли,чающийся тем, что, с егрузку прекратится. Это и обеспечивает лью предотвращения повышения его выходбыстрое паданке напряжения на выходе ного напряжения при пробое ключевого стабилизатора,независимо от велич««нь«транзистора без применения устройства э««ерги", наког«ле««ной конденсатором филь- защиты, в .качестве генератора прямоугольтра.:очно так же быстро исчезнет выход- 50 ного напряжения преобразователя постоянное «апряжение стабилизатора при пробое ного напряжения использован т игге со ключевого транзистора за счет немедленной счетным входом, подключенным к дополниостановки триггера. р р . - - - =.-" -, тельной обмотке дросселя сглаживающего

Дополнительное преимущество заявлен- фильтра. легко ос ествить ного стабилизатора состоит в том, что в нем 55 2. Стабилизатор . 1 тор по п., отл ич а ю щи й.е осуществить дистанционное управле- с я тем, что, с целью уменьшения времени. без отклю- спадания выходного напряжения при вин: е включением и выключением б чеЯ«я- от источника йитани «% - от - . ". я напряжения клю«енин питания, дополнительно вв д первично6 сети, Для этого .. - ., питаД достаточно генератор строб-импульсов, по цепям питае ыи с входными клеммами, сорвать колебания задающего генератора, 60 ния соедин нн лишив его питающего напряжения и««и от-. а выход генератора связан с клйчив строб-имп льсы от

П согласующего nом широтно-импульсного модулятора, транзистора 29, замыкая накоротко внеш- 3. Стабилизатор . 1 2, ими .цепями дистанционного управления, ю шийся т ор по пп. и 2, отлнча ем, что генератор строб-имна однопереходцом траннапример, резистор 28, установленный па- 65 пульсов выполнен н

744525

10 Фиг, Я

Составитель С. Горбачева

Редактор В. Левятов Техред А. Камышникова Корректоры: Л. Слепая и 3. Тарасова

Заказ 1005/20 Изд. № 321 Тираж 956 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !

13035, Москва, Я-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

9 зисторе, между первой базой которого и эмиттером включен первый резистор, между эмиттером и второй базой — конденсатор, при этом базы однопереходного транзистора через второй, резистор подключены к цепям питания генератора строб-имI пульсов, а параллельно второму резистору через дифференцирующую RC-цепочку подключен переход база — эмиттер согласующего транзистора, коллектор . которого со-

5 единен с выходом источника опорного напряжения,