Импульсный стабилизатор напряжения

 

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания. Целью изобретения является повышение КПД в динамических режимах работы. В статическом режиме работы силовой 17 и замыкающий 18 ключи, управляемые от широтно-импульсного модулятора 22 через блок 31 импульсного управления , совместно с обмоткой 12 дросселя 9 образуют схему понижающего стабилизатора напряжения. При этом обмотки 10 и 11 дросселя 9 совместно с ключами 13 и 14 управления и ключами 15 и 16 регулирования не влияют на работу устройства . В динамическом режиме работы ключи 13 и 14 управления и ключи 15 и 16 регулирования подключают конденсаторы 5 и 6 к обмоткам 10 и 11 дросселя 9, осуществляя тем самым отбор или подвод дополнительной энергии дросселя 9, Требуемый уровень напряжения конденсаторов 5 и 6 поддерживается за счет их подключе- )1ия через ключи 3 и 4, управляемые от блока 31 импульсного управления, между входной 7 и выходной 8 клеммами стабилизатора. 4 ил.. г (Л

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1372288 А1 П 4 С 05 F 1/56 ф(сг;;ig4 cä g

13

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3959420/24-07 (22) 02.10.85 (46) 07.02.88. Бюл. М - 5 (71) Красноярский политехнический институт (72) А.В.Манаков, Ю.В.Краснобаев, В.И.Иванчура и Б.П.Соустин (53) 621,3 16.722. 1 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1090225, кл. Н 02 M 3/145, 1982.

Авторское свидетельство СССР

NP 288121, кл.G 05 F 1/56, 1969. (54) ИМПУЛЬСНЪ|П СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к источникам вторичного электропитания.

Целью изобретения является повышение

КПД в динамических режимах работы.

В статическом режиме работы силовой

17 и замыкающий 18 ключи, управляемые от широтно-импульсного модулятора 22 через блок 31 импульсного управления, совместно с обмоткой 12 дросселя 9 образуют схему понижающего стабилизатора напряжения, При этом обмотки 10 и 11 дросселя 9 совместно с ключами 13 и 14 управления и ключами 15 и 16 регулирования не влияют на работу устройства. В динамическом режиме работы ключи 13 и 14 управления и ключи

15 и 16 регулирования подключают конденсаторы 5 и 6 к обмоткам 1О и 11 дросселя 9, осуществляя тем самым отбор или подвод дополнительной энергии дросселя 9, Требуемый уровень напряжения конденсаторов 5 и 6 поддерживается за счет их подключения через ключи 3 и 4, управляемые от блока 31 импульсного управления, между входной 7 и выходной 8 клеммами стабилизатора. 4 ил.

1372288

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение н системах электропитания с импульсным регулированием выходного квази5 непрерывного напряжения, например и системах электропитания бортовой аппаратуры.

Цель изобретения — повьппение КПД в динамических режимах работы. 10

На фиг. 1 приведена функциональная схема импульсного стабилизатора напряжения, на фиг. 2 — структурная схема его отдельных узлов, на фиг.3 временная диаграмма, поясняющая ра- 15 боту устройства управления импульсного стабилизатора напряжения, на фиг. 4 — временные диаграммы, поясняющие работу импульсного стабилизатора напряжения.в статическом режиме 20 и режиме увеличения тока нагрузки.

Стабилизатор содержит две идентичные цепи 1 и 2, причем каждая цепь 1 (2) образована последовательным соединением силового ключа 25

3 (4) и конденсатора 5 (6), Цепи 1 и 2 включены параллельно друг другу между входной 7 и выходной 8 клеммами. Дроссель 9 имеет три обмотки 1012, причем обмотка 10 (11) по,: чюче- 30 на -концами порознь, через ключ 13 (14) управления и ключ 15 (16) регулирования к общей точке силового ключа

4 (3) и конденсатора 6 (5), обе обмотки 10 и .11 подключены отводами K 35 выходной клемме 8. Обмотка 12 подсоединена одним концом к выходной клемме 8. а вторым концом через основной ключ 17 — к входной клемме 7 и через замыкающий ключ 18 к общему 40 проводу 19 стабилизатора. Устройство

20 сравнения входом подключено к выходной 8 клемме, а выходом — к входу

21 IIIHM 22 и через интегратор 23 — к входу 24 ШИМ 22, ШИМ 22 выходами 25- 45

27 соединен соответственно с входами

28-30 блока 31 импульсного управления (БИУ). БИУ 31 присоединен выходами 32-39 соответстнено к управляющим входам ключей управления 13 и 14 регулирования 15 и 16 и силовых ключей 3 и 4. Выход 39 БИУ 31 подключен также и к входу 40 ШИМ 22.

Устройство 20 сравнения (фиг. 2) выполнено в виде источника 14 эталонного напряжения подключенного выходом к неиннертирующему входу усилителя

42, иннертирующий вход последнего подсоединен к входу, а выход — к ныходу устройства 20 сравнения. ШИМ 22 содержит включенные последонательно дифференциатор 43, выпрямитель 44, генератор 45 пилообразного напряжения (ГПН). усилитель 46, причем вход дифференциатора 43 подключен к входу

40 ШИМ 22, а усилитель 46 неинвертирующим входом подключен к общему проводу 19, а инвертирующим входом — к выходу ГПН 45, В состав ШИМ 22 входят также три компаратора 47 — 49, подключенные выходами соответственно к выходам 26 — 27 ШИМ 22, Неинвертирующие входы компараторов 47 и 49 подключены соответственно к выходам ГПН

45 и усилителя 46. Вход 21 ШИМ 22 соединен соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами компараторов 47 и 48. Инвертирующие входы компараторов 48 и 49 подключены соответственно к выходу усилителя

46 и входу 24 IIIHM .22, БИУ 31 содержит генератор 50,подключенный прямым и инверсным выходами соответственно к выходам 38 и 39

БИУ 31, схемы И 51-56, подключенные выходами соответственно к выходам

32-37 БИУ 3!. Схема ИЛИ-HE 57 двумя входами, по отдельности, подключена к входам 28 и 29 БИУ 31, а выходом— к первым входам схем И 55 и 56. Первые входы схем И 51 и 53 подключены к прямому выходу генератора 50, а схем И 52 и 54 — к инверсному выходу генератора 50. Вторые входы схем И

51 и 52 подсоединены к входу 28 БИУ

31, а схем И 53 и 54 — к входу 29

БИУ 31. Вход 30 БИУ 31 соединен с вторым входом схемы И 55 и через схему HE 58 — с нторым входом схемы

И 56.

Устройство работает следующим образом.

На диаграмме Т показаны временные интервалы работы узлов управления стабилизатором, на диаграммах 25-27 и 32-39 — импульсные сигналы соответствующих выходов ШИМ 22 и БИУ 31 (фиг. 3).

Генератор 50 БИУ 31 генерирует на своих выходах и соответственно выходах 38 и 39 БИУ 31 импульсные сигналы в противофазе друг другу с коэффициентом заполнения =0,5 и периодом, равным интервалу времени и -t< (фиг. 3).

Импульсный сигнал с выхода 39 БИУ

31 поступает на вход 40 ШИМ 20 и!

372288 далее через дифференциатор 43 на выпрямитель 44, При этом на выходе выпрямителя 44 формируются короткие положительные импульсы которые пос1

5 тупают на вход ГПН 45 и синхронизируют его работу. На выходе ГПН 45 формируется пилообразное напряжение

v которое поступает на инвертирующий вход усилителя 46. На выходе уси- 1О лителя 46 формируется пилообразное напряжение Г, — инверсное

Напряжение U >„ (диаграмма U,, ) с выхода 8 стабилизатора поступает » устройство 20 сравнения, где »лде -,зется напряжение рассогласования U (диаграмма UK линия U ), по .рун,:— щее на вход 21 ШИМ ?2 и через ив ре ратор 23 на вход 24 Ш !М 22. Нап,>; +ение U выхода интегра ора при»еде»с на диаграмме 1: .

Длительность импульсов на в ж де

25 ШИМ 22 соответствует интерв, лам времени, на которых напряжение p»tсогласования больше пилообраз-,oiо напряжения !,, а на выходе 26 Iiiiëi

22 — меньше пилообразного напряжения н (диаграммы П„, 25 и 26).,1лительность импульсов на выходе 27 !!!!1! .

22 соответствует интервалам врс 1е::;, 1,, на которых напряжение выхода инте -" ратора меньше пилообразного напря— жения Ti, (диаграммы U„ и 27), Импульсные сигналы выходов 23-27 поступают в БИУ 31, который преобр»зует их по следующему алгоритму, Сир35 налы с выхода 25 ШИМ 22 распределяются на выходы 32 и 33 БИУ 31, а с вьхода 26 — на выходы 34 и 35, причсм на интервалах наличия импульса на выходе 38 БИУ 31 импульсы распреле ляются на выходы 32 и 34 БИУ 31,иначе на выходы 33 и 35. Сигнал выхода

37 БИУ 31 соответствует, а сигнал выхода 36 является инверсным сигналу выхода 27 ШИМ 22 с учетом того, то сигналы выходов 25 и 26 ШИМ 22 запрещают наличие импульсных сигналов на выходах 37 и 36 БИУ 31.

Рассмотрим работу устройства в статическом режиме. На диаграмме Т

50 (фиг. 4) показаны временные интервалы работы устройства. На диаграммах 32, 33 и 36-39 (фиг. 3) показаны сигналы соответствующих выходов БИУ 31, управляющие состоянием ключей, подключенных к ним, причем высокий уровень сигнала соответствует открытому состоянию ключа ° В статическом режиме работы (на интервале t, -L,i -с ергия на выход 8 сгабияизатора поступает с выхода 7 через основной 17 и замыкан ший 18 ключи и через обмотку 12 дросселя 9. На интервале времени замкнут основной ключ 17, а замыкаюрций ключ 18 разомкнут. Ток протекает по цепи: вход 7, основной ключ

1", обмотка 12 дросселя 9, выход 8, н; |ру ка, подключенная к выходу 8, ".бщи:; провод 19 стабилизатора ° В

"1t 1ент времени основной 17 и зааю ции 18 ключи переключаются, и гон Обмотки 12 дросселя 9 замыкается через нагрузку и замыкающий ключ 18.

Вид напряжения на вьжоде 8 т к обмотки 12 !Т,„, индукция дроссе-я 9 В показаны на соответствующих

;ига граммах (фиг. 3 и 4) ° Напряжение рассогласования 11,. приведено на диа-! рамме н

Сил вые ключи 3 и 4 поочередно

1одключают конденсаторы 5 и 6 к вхоliCH, Ключи управления 13 и 14 и гулирования 15 и 16 разомкнуты.

Напряжение на конденсаторах 5 и 6

;.пределя отся выражением

1 — ( ь де UÄÄ ii Uр,, — напряжение на входе

7 и выходе 8 стабилизатора.

Ч»реэ идентичные цепи протекают

;. -зна чительные токи> вызванные пуль;ациями напряжения на выходе 8 ИСН. к конденсатора 6 I и напряжение на нсм 11 приведены на соответствую6 рцих диаграммах (фиг. 3).

Работа схемы в режиме наброса наррузки происходит следующим образом.

В момент времени t происходит

-;veëè÷eHèå тока нагрузки на величину й(„ (диаграмма I ). При этом с;ачком увеличивается ток через конденсатор 5 силовой цепи 1, Однако напряжение на выходе 8 U „„ уменьшается на некоторую величину sa счет падения напряжения на активных сопротивлениях идентичной цепи 1. На интервале времени t -t, напряжение на выходе 8 уменьшается иэ-за увеличения напряжения на конденсаторе

5, ключ 13 управления замкнут, а конденсатор 6 подключается к половине обмотки 10 дросселя 9 и, разряжаясь, отдает часть энергии в дроссель 9 °

3а счет этого, во-первых, возрастает индукция 13 дросселя 9 на интервале

1372288 и соответственно, ток обмотки

12 иа интервале t -t, а, во-вторых, увеличивается ток через идентичную цепь 2 на интервале б -t .oáà фактора способствуют уменьшению напряжения рассогласования. Ток конденсатора 6 I и напряжение на нем приь ведены на соответствующих временных диаграммах. .Таким образом, ключи 13 и 14 управления подключают конденсаторы 5 и

6 к соответствующим половинам обмоток

40

45 регулирования, которые поочередно подключают конденсаторы 5 и 6 к половинам соответствующих обмоток дросселя 9, на интервалах отключения конденсаторов 5 и 6 от входа 7 на время, 50 пропорциональное сигналу рассогласования. При этом, учитывая, что основной 17 и замыкающий 18 ключи разомкнуты, энергия дросселя передается в конденсаторы 5 и 6, которые заря55 жаются, а индукция дросселя 9 уменьшается, что способствует уменьшению сигнала рассогласования за счет уменьдросселя 9 на интервале отключения конденсатора 5 и 6 от входа 7 на время, пропорциональное сигналу рассогласования, что обеспечивает рост тока через обмотку 12 дросселя 9, и к моменту времени „ среднее значение тока обмотки 12 получает приращение и равно новому значению тока

9 нагрузки. При этом напряжение на конденсаторах 5 и 6 определяется выражением (1), а ток через конденсаторы

5 и 6 близок к нулю, Относительное время включения основного ключа 17

?5 на интервале t„, --t больше, чем на интервалах t,-t > и t >-t „ из-за падения напряжения на сопротивлении первичного источника (просадки входного напряжения), Интегратор 23 поз яет обеспечить астатизм.

Работа схемы в режиме уменьшения тока нагрузки сходна с работой в режиме наброса нагрузки.

В момент уменьшения тока нагрузки 35 ток обмотки 12 дросселя 9 остается неизменным и часть тока обмотки 12 протекает на вход 7 через идентичную цепь 1 (2) (силовой ключ 3 (4) которой замкнут). При этом напряжение на выходе 8 увеличивается за счет падения напряжения на активных сопротивлениях идентичной цепи 1 (2).

Появление сигнала рассогласования вызывает включение ключей 15 и 16 шения тока обмотки 12 дросселя 9 и увеличения тока идентичных цепей.

Через некоторое время схема переходит к статическому режиму работы.

Для уменьшения пульсаций выходного напряжения и повышения устойчивости стабилизатора, в частности, в режиме сброса нагрузки желательно подключение параллельно выходу 8 конденса-, тора.

Перничный источник обладает двусторонней проводимостью и зашунтирован емкостью, Формула изобретения

Импульсный стабилизатор напряжечия, содержащий трехобмоточный дроссель, основной ключ, включенный последовательно с первой обмоткой трехобмоточного дросселя между входной и выходной клеммами, замыкающий ключ, подключенный между общей точкой основного ключа с первой обмотки трехобмоточного дросселя и общей шиной, широтно-импульсный модулятор с входом и выходом, узел сравнения, подключенный входом к выходной клемме и выходом к входу широтно-импульсного модулятора, блок импульсного управления с.двумя входами и выходами, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения КПД в динамических режимах работы, в него введены интегратор, первая и вторая идентичные цепи из соединенных последовательно силового ключа и конденсатора, включенные параллельно друг другу и последовательно между входной и выходной клеммами, вторая и третья обмотки трехобмоточного дросселя подключены концами через вновь введенные первые и вторые ключи управления и ключ регулирования к общей точке силового ключа и конденсаторов первой и второй силовых цепей, средние точки второй и третьей обмоток трехобмоточного дросселя подключены к выходной клемме, замыкающий ключ снабжен управляющим входом, широтно-импульсный модулятор дополнительно снабжен входами и выходами, блок импульсного управления дополнительно снабжен входом и шестью выходами, интегратор> подключенный входом к выходу узла сравнения и выходом к второму входу широтно-импульсного модулятора, последний тремя выходами соединен с

1372288 соответствующими входами блока импульсного управления, блок импульсного управления подсоединен выходами к управляющим входам силовых ключей первой и второй идентичных цепей,первых и вторых ключей управления и ключей регулирования, основного и замыкающего ключей, третий вход широтно-импульсного модулятора подключен к управляющему входу силового ключа одной из идентичных цепей, при этом широтно-импульсный модулятор выполнен на дифференциаторе, выпрямителе, генераторе пилообразного напряжения, усилителе и первом, втором и третьем компараторах, причем последовательно к третьему входу широтно-импульсного модулятора подключены дифференциатор, выпрямитель, ге-2р нератор пилообразного напряжения, усилитель, неинвертирующий вход усилителя подключен к общему проводу стабилизатора, а выход — к инвертирующему входу второго и неинверти- 25 рующему входу третьего компараторов, инвертирующий вход последнего соединен с вторым входом широтно-импульсного модулятора, первый вход широтноимпульсного модулятора присоединен к неинвертирующему входу второго компаратора и инвертирующему входу первого компаратора, неинвертирующий вход последнего присоединен к выходу генератора пилообразного напряжения, выходы первого, второго и третьего компараторов соединены соответственно с вторым, первым и третьим выходами широтно-импульсного модулятора, блок импульсного управления выполнен на генераторе, первом — шестом элементах И, элементе ИЛИ-НЕ и элементе НЕ, причем генератор прямым выходом подключен к первому выходу блока импульсного управления и первым входам первого и третьего элементов И, инверсным выходом — к второму выходу блока импульсного управления и первым входам второго и четвертого элементов И, первый вход блока импульсного управления подключен к вторым входам первого, второго элементов И и первому входу элемента ИЛИ-НЕ, второй вход — к вторым входам третьего и четвертого элементов И и второму входу элемента ИЛИ-HF. выход элемента ИЛИ-НЕ подключен к первым входам пятого и шестого элементов И, третий вход блока импульсного управления— к второму входу пятого элемента И и через элемент HF. — к второму входу шестого элемента И, выходы первого шестого элементов И соединены соответственно с третьим — восьмым выходами блока импульсного управления.

1372288

Составитель Ю.Опадчий

Редактор А.Козориз Техред М.\оданич Корректор А.Ильин

Заказ 482/39 Тираж 866 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