Импульсный стабилизатор напряжения

 

Изобретение относится к стабилизированным источникам питания с импульсным регулированием. Цель - повьшение КПД, надежности путем увеличения точности срабатывания защиты и получение понргаенного выходного напряжения, С этой целью блок защиты 15 вьтолнен на транзисторном инверторе 17, выходном транзисторе 28, интегрирующих цепях-21, 22, резисторе 27 и диоде 29. При увеличении нагрузки время запертого состояния транзистора 16- увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на конденсаторе 25. При увеличении тока нагрузки сверх номинального выходной транзистор 28 открывается, что приводит к запиранию транзистора 8. Та;ким образом происходит лавинообразное увеличение длительности ширины импульса на выходе 6 ШИМ 1, насьпцение выходного транзистора 28 блока защиты 15 и полное выключение стабилизатора за счет осуществления в схеме положительной обратной связи. 4 ил. i (Г С 1C ел 4;ii 4

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦ!ИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 05 F 1/569

ГОСУДАРСТВЕННЬ1Й КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ф Ъу

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4 ил.

Фиг.1 (21) 4002347/24-07 (22) 30.12.85 (46) 23.07.87. Бюл. Р 27 (71) Ленинградское научно-производственное объединение "Буревестник" (72) M.Ã.Âàðø, Н.Л.Прокудович и А.В.Кирсанов (53) 621.316.722,1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 584300, кл. G 05 F 1/569, 1982.

Авторское свидетельство СССР Р 1046751, кл. С 05 F 1/569, 1983. (54) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к стабилизированным источникам питания с импульсным регулированием. Цель— повьппение КПД, надежности путем увеличения точности срабатывания защиты и получение пониженного выходно„„SU„„1325440 А1 го напряжения. С этой целью блок защиты 15 выполнен на транзисторном инверторе 17, выходном транзисторе

28, интегрирующих цепях- 21, 22, резисторе 27 и диоде 29. При увеличении нагрузки время запертого состояния транзистора 16- увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на конденсаторе 25. При увеличении . тока нагрузки сверх номинального выходной транзистор 28 открывается, что приводит к запиранию транзистора

8, Таким образом происходит лавинообразное увеличение длительности ширины импульса на выходе 6 ШИМ 1, насьпцение выходного транзистора 28 блока защиты 15 и полное выключение стабилизатора за счет осуществления в схеме положительной обратной связи.

12

1 1

1 132544

Изобретение относится к электротехнике, в частности к стабилизированным источникам питания с импульсным регулированием, — и может быть использовано для питания различной электронной и рентгеновской аппаратуры.

Цель изобретения — повышение КПД стабилизатора, его надежности путем увеличения точности срабатывания защиты и получение пониженного выходного напряжения.

На фиг. 1 представлена блок-схема импульсного стабилизатора напряжения; на фиг. 2 — принципиальная схема одного иэ примеров практического выполнения импульсного стабилизатора! на фиг. 3 и 4 — принципиальные схемы других примеров выполнения импульсного стабилизатора.

Импульсный стабилизатор (фиг, 1) содержит блок управления, выполненный на базе широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 1, который входными клеммами подключен к силовой выходной ши 25 не 2 и общей шине- 3, à его шина 4 питания через разделительный диод

5 подключена к выходной силовой шине 2. К выходной клемме 6 ШИМ 1 подключен управляющий вход транзисторного каскада предварительного усилителя 7, транзистор 8 которого коллектором подключен через резистор 9 к базе- транзистора 10 силового переключающего транзисторного ключа ll, 35 который может быть построен как на одном, гак и на составном транзисторе, причем входной транзистор 10 силового транзисторного ключа 11 имеет противоположный тип проводимости по сравнению с транзистором 8 транзисторного каскада предварительного усилителя 7. Змиттер выходного транзистора силового ключа 11 соединен с LCD-фильтром 12. Блок 13 запуска

45 стабилизатора входами поцключен к входной силовой шике и общей шине 3, а выходом 14 — к шине 4 питания ШИМ

1. Блок 15 защиты включает в себя транзистор 16 инвертора 17, База

50 транзистора 16- через согласующий резистор 18 соединена с парафаэкым выходом 19 ШИМ 1, а коллектором через резистор 20 инвертора 17 — с входной силовой шиной. К коллектору транзистора 16 подключены первыми выводами две интегрирующие цепочки 21 и 22, состоящие из последовательно соединенных резисторов 23, 24 и

0 2 конденсаторов 25 и 26 соответс.векко. Вторыми выводами интегрирующие цепочки 21 и 22 подключены к общей шине 3. Интегрирующие цепочки 21 и

22 обладают разным временем интегрирования, причем вторая интегрирующая цепь 22 обладает существенно большим временем интегрирования,-чем первая. Параллельно конденсатору 25 первой интегрирующей цепочки 21 подключен переменный резистор 27 (или два последовательно соединенных резистора), движок которого подсоединен к базе выходного транзистора 28 и соединен с движком (средним выводом) переменного резистора 27 через диод 29, включенный в проводящем направлении (либо стабилитрон в обратном включении). Выход 14 блока

l3 запуска соединен с первым выводом блокирующей последовательной цепочки 30 из резистора 31 и стабилитрона 32„ вторым выводом подключенной к базе транзистора 16 инвертора 17.

ШИМ на фиг. 2 содержит блок 33 управления широтно-импульсным модулятором 1, построенный на транзисторах 34 и 35, входными цепями подключенный к выходной шине 2 и общей шине 3 стабилизатора, одновибратор 36 с управляемой шириной импульса, включающий в себя транзисторы 37-39 и часть транзисторного каскада предварительного усилителя 7 на транзисторе 40. ШИМ 1 включает в себя также блок 41 управления частотой импульсного генератора 42 на транзисторе

43. Импульсный генератор 42 построен на транзисторах 44-48. Блок 13 запуска построен на транзисторах 49 и 50 противоположного типа проводимости и содержит таймирующие элементы в виде резистивного делителя, состоящего иэ резисторов 51 и 52 и конденсатора 53.

Управляющий вход силового транзисторного ключа 11 соединен с выводом резистора 9, включенного в коллекторную цепь выходного транзистора

54, входящего в транзисторный каскад предварительного усилителя 7 наряду с входным его каскадом на транзисторе 40. Транзистор 54, как и транзистор 8 (фиг, 1), имеет противоположный тип проводимости по сравнению с транзистором 10 силового переключающего транзисторного ключа 11.

На фиг. 3 приведен другой пример выполнения импульсного стабилиэата50

3 132544 ра напряжения,- в котором ЮИ I содержит делитель 55 обратной связи, источник 56 опорного напряжения, дифференциальный усилитель 57 »а транзисторах 58-60, мультивибратор 61 на транзисторах 62 и 63, который управляется дифференциальным усилителем 57. Транзисторный каскад предварительного усилителя 7 управляющим входом подключен к выходу мультивиб- 10 ратора 61, а выходом через резистор 9 — к управляющему входу силового транзисторного ключа 11 при том же условии относительно типов проводимости транзисторов, что и раньше.

В третьем примере выполнения (фиг. 4) импульсный стабилизатор с дополнительным источником 64 построен на основе интегральной микросхемы 65 типа К142ЕПI и содержит дифференциальный усилитель 66 на транзисторах 67-70, делитель 71 обратной связи, источник 72 опорного напряжения, эмиттерные повторители на транзисторах 73 и 74, триггер Шмидта на транзисторах 75 и 76. Транзисторный каскад предварительного усилителя 7 на транзисторе- 77 коллектором связан через свой согласующий резистор 78 со входом транзисторного каскада 30 предварительного усилителя 79 на транзисторах 80 и 81, а эмиттером через вывод транзистора 77 образует выход

6 IIIHM 1. Блок 13 запуска выполнен на трех транзисторах 49, 50 и 82, два из которых 50 и 82 — противополож35 ного типа проводимости, и дополнительном диоде 83, включенном между эмиттером и базой транзистора 50, кб1 торый содержит таймирующие элементы: конденсатор 53 и резистивный делитель на резисторах 51 и 52. Выход

l4 блока 13 запуска соединен с блокирующей цепочкой 30 из резистора

31 и стабилитрона 32, которая вторым выводом подсоединена к одному из управляющих входов инвертора 84 блока 15 защиты. Инвертор 84 имеет два инвертирующих транзистора 85 и 86.

База первого из них 85 образует первый управляющий вход инвертора

84 и через резистор 87 соединена с коллектором второго транзистора 86, база которого образует второй управляющий вход совместно с согласующим

55 резистором 88, который соединен с коллекторным выходом транзистора 77. .Коллекторы транзисторов 85 и 86 через резисторы 20 и 89 инвертора соот0 4 ветственно сосдннены со входнсй силовой шивой. Эмиттеры транзисторов

85 и 86 соединены с общей шиной 3.

Импульсный стабилизатор напряжения (фиг. 1) работает следующим образом.

При подаче постоянного нестабилизированного напряжения на входную силовую шину с выхода 14 блока 13 запуска на шину 4 питания 1ЦИ11 1 поступает импульс напряжения, который одновременно поступает на базу транзистора 16 блока 15 защиты через резистор 31 и стабилитрон 32, Выходной сигнал ШИМ 1 с выхода 6 поступает на вход транзистора 8 усилительного каскада 7, в цепи коллектора которого возникает ток. Соответствующий ток начинает протекать через силовой переключающий транзисторный ключ II, и на выходной шине 2 стабилизатора появляется напряжение, определяемое параметрами входных цепей ШИИ 1 (делитель обратной связи и источник опорного напряжения на фиг. 1 не показаны). По окончании действия запускающего импульса блок 13 запуска запирается выходным напряжением стабилизатора, которое поступает через разделительный диод 5, подключенный к выходной шине 2 в проводящем направлении, запирается и стабилитрон

32. При изменении нагрузки на выходе стабилизатора соотношение длительностей времени, когда на выходе

6 ШИИ 1 существуют высокий и низкий потенциалы, изменяется. В период времени, когда предварительный усилитель

7 открыт, транзистор 16 блока 15 защиты заперт, так как на его базу поступают импульсы с парафазного выхода 19 ШЖ1 1, и конденсаторы 25 и

26 интегрирующих цепей 21 и 22 заряжаются. Конденсатор 26 второй интегрирующей цепи 22 заряжается до напряжения, значительно меньшего, чем конденсатор 25 первой интегрирующей цепи 21.

В период времени, когда транзистор 8 закрыт, т.е. на выходе 6 ШИИ 1 присутствует низкий потенциал, оба конденсатора 25 и 26 разряжаются че- рез резисторы 23 и 24 своих цепей

21 v. 22 и насыщенный транзистор 16 блока 15 защиты. При увеличении нагрузки время запертого состояния транзистора 16 увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на конденсаторе 25 цепи 21. При увели13254 чении тока нагрузки сверх номинального выводной транзистор 28 устройства 15 защиты откроется, и ток с выхода 6 ШИМ 1 потечет через транзистор 28 устройства 15 защиты. Энергия, поступившая на шину 2 стабилизатора, уменьшится, что приведет к падению напряжения на шине 2 стабилизатора, а это, в свою очередь, приведет к увеличению длительности им- 10 пульса на выходе 6 ШИМ 1 и к дальнейшему росту средней составляющей напряжения на конденсаторах 25 и 26, что приведет к практически мгновенному насыщению выходного транзисто- 15 ра 28 блока 15 защиты с одновременным увеличением длительности импульса на выходе 6 ШИМ 1 при одновременном прекращении поступления энергии на шину 2 стабилизатора, т.е. вызо- 20 вет запирание транзистора 8.

Таким образом, происходит лавинообразное увеличение длительности ширины импульса на выходе 6 111НМ 1, насыщение выходного транзистора 28 бло- 25 ка 15 защиты и полное выключение стабилизатора. за счет осуществления в схеме положительной обратной связи.

Для бопее надежного насыщения выходного транзистора 28 служит вторая ин- 30 тегрирующая цепь 22, величина сопротивления резистора 24 которой выбирается значительно меньше, чем величийа сопротивления резистора 23 первой интегрирующей цепи 21. При закрыва35 нии транзистора 16 конденсатор 26 заряжается до величины, достаточной для отпирания диода 29, и вводит транзистор 28 в более глубокое насыщение, обеспечивая надежное выключение стабилизатора. После того, как пройдет время, достаточное для восстановления блока 13 запуска, оно сформирует импульс, который подаст напряжение питания на ШИМ 1 и заблокирует на короткое время работу блока 15 защиты.

При этом в случае короткого замыкания на выходе или большой перегрузки ток перегрузки не может превысить величину, определяемую резистором 9.

По окончании действия импульса запуска стабилизатор снова ныключится на длительное время.

В случае отсутствия перегрузки стабилизатор автоматически войдет в нормальный режим. При возникновении перегрузки стабилизатор ныключится, как было указано выше. При этом величина срабатывания по току перегруз40 6 ки может быть установлена, практически, с какой угодно точностью.

В зависимости от особенностей выполнения принципиальной схемы импульсного стабилизатора, особенностей исполнения микросхем блока управления импульсным стабилизатором конкретная схема исполнения блока

15 защиты может изменяться. При этом может несколько варьироваться протекание физических процессов и стабилизаторе., Стабилизатор (фиг. 2) работает следующим образом.

При подаче питающего напряжения на входную клемму, т.е. на коллектор ныходного транзистора силового ключа

ll, с задержкой, определяемой величиной емкости конденсатора 53 и величиной сопротивлений резисторов 51 и 52 блока 13 запуска, на его выходе

14 появляется импульс запуска, который запрещает работу блока 15 защиты (в этот период выходной транзистор

28 блока 15 защиты заперт из-эа того, что импульс запуска превышает потенциал пробоя стабилитрона 32 блокиру— ющей цепочки 30) и подает напряжение питания на шину 4 питания блока 33 управления ШИМ 1. Стабилизатор включается на пониженной частоте. В процессе запуска напряжение на выходных шинах 2 и 3 стабилизатора возрастает, частота работы импульсного ге" нератора 42 и выходное напряжение стабилизатора,цостигают номинальной величины, импульс запуска заканчивается, и блок 13 запуска через- диод

5 запирается выходным напряжением сгабилизатора. Одновременно запирается стабилитрон 32„

При увеличении нагрузки время открытого состояния силового транзисторного ключа 1 1 увеличивается, что ведет к нарастанию напряжения на конденсаторах 25 и 26 интегрирующих цепей 21 и 22 блока 15 защиты, а следовательно, и на базе транзистора

28 блока 15 защиты. При превышении, номинального тока нагрузки транзистор

?8 откроется и мгновенно войдет в насыщение н силу возникнонения н схеме стабилизатора положительной обратной связи (как это описано для блок-схемы на фиг. 1). Следовательно, стабилизатор выключается, Когда конденсатор 53 блока. 13 запуска переэарядится до напряжения, достаточного для срабатывания блока 13 за7 132544 пуска, стабилизатор снова включится

I на короткое время, В этот период максимальный ток перегрузки не может превысить ток, определяемый резистором 9 коллекторной цепи транэис5 тора 54 предварительного усилителя

7. При исчезновении перегрузки стабилизатор автоматически войдет в нормальный режим.

Стабилизатор (фиг. 3) работает следующим образом, При подаче питающего напряжения на вход стабилизатора на шине 4 питания ШИМ 1 появляется импульс запуска, который запрещает работу блока

15 защиты (как и в блок-схеме на фиг. 1). На выходных силовых шинах

2 и 3 стабилизатора при отсутствии перегрузки напряжение постепенно возрастает и достигает своего номиналь- 20 ного значения. В случае возникновения перегрузки стабилизатор выключается (как и в блок-схеме на фиг.1).

В случае возникновения перегрузки в момент включения стабилизатора при появлении импульса запуска на выходе

14 блока 13 запуска ток перегрузки силового ключа 11 не превысит тока, определяемого резистором 9 коллекторной цепи предварительного усилителя ,7. После- окончания импульса запуска стабилизатор выключится.

Стабилизатор (фиг. 4) работает следующим образом.

Благодаря дополнительному инвертирующему транзистору 86 блока 15 за35 щиты, база которого через согласующий резистор 88 связана с коллектором транзистора 77, заряд конденсаторов 25 и 26 интегрирующих цепей 21 4 и 22 происходит синхронно с включением силового транзисторного ключа 11.

Таким образом, выполнение блока защиты на двух или трех транзисторах, один или два из которых являются инверторами, работающими в ключевом режиме, и одном выходном исполнительном транзисторе и двух интегрирующих цепях с их связями между собой и с известными частями импульсного стабилизатора напряжения, повышает КПД стабилизатора. Исключение из блока защиты транзистора, работающего в линейном режиме и обеспечивающего питание всей схемы управлез5 ния стабилизатором, уменьшает потери мощности в стабилизаторе, повышает точность срабатывания защиты, так как блок защиты реагирует на ширину

О 8 импульса, включающего силовой транзистор, которая зависит от величины нагрузки, à »е величины выходного напряжени», в то время, как в известHoM T oHc e (:íèæåHèå выходного напряжения до величины, достаточной для эапирания транзистора защиты, может происходить при весьма значительных перегрузках по току, т.е. от перегрузок в известном устройстве практически является защитой от короткого замыкания. Кроме того, исключение из блока защиты транзистора, работающего в линейном режиме и питающегося с выхода стабилизатора, для нормальной работы которого необходимо дополнительное напряжение, обеспечивающее era работу в линейном режиме, позволяет получить более низкое выходное напряжение стабилизатора. Увеличение КПД стабилизатора наряду с повышением точности срабатывания защиты дает также повышение надежности стабилизатора.

Формула изобретения

Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий силовой переключающий транзисторный ключ, включенньпЪ последовательно в силовую шину, управляющий вход которого соединен с выходом транзисторного каскада предварительного усилителя, образованного транзистором противоположного типа проводимости по отношению к входному транэисторусилового транзисторного ключа, управляющим входом подключенного к выходу блока управления, выполненного на базе широтно-импульсного модулятора, входными цепями соединенного с силовой выходной и общей шинами, а шиной питания через разделительный диод, подключенного к силовой выходной шине, блок запуска, входами подключенный к входной силовой и общей шинам, а выходом — к шине питания блока управления, блок защиты, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью получения более низкого напряжения на выходе стабилизатора, а также повышения КПД и надежности стабилизатора путем увеличения точности срабатывания защиты, блок защиты выполнен на транзисторном инверторе, выходном транзисторе и двух параллельно соединенных интегрирующих цепях, обраэо9 13254 ванных каждая последовательным сое— динением резистора и конденсатора, первые выводы резисторов интегрирующих цепей подключены к коллектору транзистора инвертора, подсоединен-ного через резистор инвертора к силовой входной шине, управляющий вход инвертора через согласующий резистор подключен к парафазному выходу блока управления, база выходного транзис- fp тора подключена к среднему выводу переменного резистора, подключенного к общему выводу резистора конденсатора первой интегрирующей цепи, к базе выходного транзистора подключен f5

40 10 также .диод в провопящем включении, второй вывод которого подключен к общему выводу резистора и конденсатора второй интегрирующей цепи, коллектор выходного транзистора. подключен к управляющему входу транзисторного каскада предварительного усилителя, между выходом блока запуска и базой транзистора инвертора включена введенная последовательно блокирующая цепочка из резистора и стабилитрона, причем эмиттеры транзисторов блока защиты и вторые выводы конденсаторов интегрирующих цепей подключены к общей шине.

1325440

Составитель С.Горбачева

Редактор Н.Егорова Техред А.Кравчук

Корректор М.Демчик

Заказ 3108/43

Тираж 863 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4