Импульсный стабилизатор переменного напряжения

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам питания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - увеличение КПД стабилизатора. Напряжение на выходе стабилизатора является суммой двух напряжений: входного и напряжения на обмотке 1.2 трансформатора. Узел 9 управления, изменяя время открытого состояния соответствующих ключевых элементов 3...5 и регулируя таким образом амплитуду и фазу напряжения на обмотке 1.2 трансформатора, автоматически поддерживает на выходе стабилизатора напряжения постоянной амплитуды. КПД стабилизатора увеличивается за счет уменьшения потерь мощности на ключевых элементах 3, 5 и в узле 9 управления, т.к. в схеме всегда открыт только один из ключевых элементов. Особенно наглядно преимущества схемы видны при номинальном входном напряжении, когда ток нагрузки протекает через обмотку 1.2 трансформатора и цепь, состоящую из последовательно соединенных обмоток 1.1 и 1.3 трансформатора, обмоток 2.1 и 2.2 дросселя и ключевого элемента 4. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК у 4 С 05 F 1/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4343888/24-07 (22) 13.07.87 (46) 30.09,89, Бюл. № 36 (71) Московский технологический институт Министерства бытового обслуживания населения РСФСР (72) С.И. Червяков (53) 621,316.722.1(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1334116, кл. С 05 Г 1/20, 1986, Авторское свидетельство СССР

¹ 1239692, кл. С 05 F l/30, 1984. (54) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам питания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения — увеличение КПД стабилизатора. Напряжение на выходе стабилизатора является суммой двух напряжений: входного и напряжения на обмотке 1.2

„„SU„„1511739 А1

2 трансформатора. Узел 9 управления, изменяя время открытого состояния соответствующих ключевых элементов

3...5 и регулируя таким образом амплитуду и фазу напряжения на обмотке 1.? трансформатора, автоматически поддерживает на выходе стабилизатора напряжения постоянной амплитуды, КПД стабилизатора увеличивается за счет уменьшения потерь мощности на ключевых элементах 3 5 и в узле 9 управления, т.к. в схеме всегда открыт только один из ключевых элементов. Особенно наглядно преимущества схемы видны при номинальном входном напряжении, когда ток нагрузки протекает через обмотку 1.2 трансформатора и цепь, состоящую из последовательно соединенных обмоток 1.1 и 1.3 трансформатора, обмоток 2.1 и 2.2 дросселя и ключевого элемента 4. 3 ил.

1511739

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам питания радиоЭлектронной аппаратуры, 5

Целью изобретения является увеличение КПД стабилизатора.

На фиг. 1 представлена схема импульсного стабилизатора переменного H eH ; на фиг, 2 — схема !О узла управления; на фиг, 3 — диаграммы напряжений и токов в основных узловых точках схемы.

Стабилизатор содержит трансформатор 1, дроссель 2, ключевые эле- 15 менты 3-5, конденсаторы 6-8, узел

9 управления. К выходным выводам стабилизатора подключена нагрузка !О, Обмотка трансформатора 1.2 включена между входным и выходным выво- 20 дами одной из силовых шин стабилизатора, выводы которой соединены с разноименными выводами обмоток 1.1 и

1,3, вторые выводы которых подключены к разноименным выводам обмоток

2.1 и 2.2 дросселя, Вторые их выводы соединены между собой через ключей элемент 4 и подключены к второй силовой шине соответственно через ключевые элементы 3 и 5. Управляющие входы ключевых элементов 3-5 соединены соответственно с первым — третьим выходами узла 9 управления, выполненных гальванически развязанными (например, с помощью оптронов),вход 35 которого подключен к выходным выводам стабилизатора, При этом обмотки трансформатора 1.1-1.3 шунтированы конденсаторами 6-8, а отношения витков в обмотках 1 .1 и 1 .3 трансформатора 40

1 равно отношению витков в обмотках

2.1 и 2.2 дросселя, 2. Ключевые элементы 3-5 выполнены двухполярными, например в виде транзистора, включенного в диагональ диодного выпря- 45 мительного моста.

Узел 9 управления содержит последовательно соединенные задающий генератор ll, регулируемый фазосдвига1 щий узел 12, управляющий вход которого соединен с выходом датчика 13 амплитуды, подключенного своим входом к входу узла 9 управления, недомый генератор 14, вход которого подключен к выходу регулируемого фазосдвигающего узла 12, а выход к первому входу логического блока 15, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора ll. Выходы логического блока 15 являются выходами узла 9 управления. Выходы задающего !

l и ведомого 14 генераторов подключены соответственно к входу синхронизации С и D-входу Р-триггера 16 и к входам логического элемента

HCI

12, и дифференцирующую цепочку 23, При этом генераторы 11 и 14 выпол нены с использованием двоичных счетчиков 24 и ?5 импульсов, (например, микросхемы 564 HF. 10), счетные нходы которых подключены к выходу высокочастотного генератора 26, частота импульсов которого много выше частоты задающего генератора 11 . Выходами генераторов 11 и 14 являются выходы старших разрядов счетчиков 24 и 25, а входом синхронизации ведомого генератора 14 — вход обнуления счетчика 25.

Стабилизатор работает следующим образом.

Узел 9 управления, частота импульсов на выходах которого выбирается много больше частоты питающей сети, обеспечивает при напряжении сети ниде номинального попеременное открывание ключевых элементов 3 и 4 при постоянно закрытом ключевом элементе

5, а при напряжении сети выше номинального попеременное открывание ключевых элементов 4 и 5 при постоянно закрытом ключевом элементе 3, Обмотки дросселя 2 и конденсаторы 6-8 образуют интегрирующий фильтр, отфильтровывающий высокочастотные составляющие импульсов напряжения, возникающих на выводах ключевого элемента 4. В результате на обмотках трансформатора l вьщеляются напряжения с частотой сети, амплитуда и

5 151 фаза которых регулируется узлом 9 управления.

Йапряжение на выходе стабилизатора является суммой двух напряжений, входного напряжения и напряжения на обмотке 1.2 трансформатора 1.

Поэтому, изменяя время открытого состояния соответствующих ключевых элементов и регулируя таким образом амплитуду и фазу напряжения на обмотке 1.2 трансформатора l узел

9 управления автоматически поддерживает на выходе стабилизатора напряжение постоянной амплитуды.

Так, при минимальном напряжении постоянно открыт ключевой элемент

3, а обмотки 1,1 и 1.2 трасформатора 1 образуют повышающий автотран— сформатор, При номинальном входном напряжении постоянно открыт ключевой элемент 4, причем часть тока нагрузки протекает через обмотку

1 .2 а остальная часть — через последовательно соединенные обмотки

1.1 и 1.3 трансформатора 1, обмотки

2.1 и 2.2 дросселя 2 и ключевой элемент 4. При максимальном входном напряжении постоянно открыт ключе1 вой элемент 5, а обмотки 1.2 и 1.3 трансформатора образуют понижающий автотрансформатор, Узел 9 управления работает следующим образом, Регулируемый фазосдвигающий узел

1 2 сравнивает напряжение, пропорциональное амплитуде выходного напряжения стабилизатора, которое поступает с выхода датчика 13 амплитуды выходного напряжения, с опорным и в зависимости от разности этих напряжений сдвигает импульсы ведомого генератора 14 относительно импульсов задающего генератора ll, Причем при напряжении сети ниже номинального фаза импульсов ведомого генератора 14 такова, что они отстают по фазе от импульсов задающего генератора 11 менее, чем на полупериод колебаний задающего генератора. Поэтому передний фронт импульсов задающего генератора 11 приходит во время паузы на выходе ведомого генератора 14 и, последовательно, на прямом выходе триггера 16 будет постоянной нулевой логический уровень, так как передние фронты импульсов íà его входе С синхронизации, по которым происходит установка на

1739

5

его выходе такого же логического уровня, как и на его входе Р, приходят во время, когда на входе D присутствует нулевой логический уровень, Следовательно, на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ 19 будет постоянно нулевой логический уровень, таким образом, ключевой элемент 5 будет постоянно закрыт.

На выходе логического элемента

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 присутствуют импульсы с удвоенной частотой задающего генератора 11, длительность которых зависит от сдвига фаз между импульсами задающего 11 и ведомого

14 генератора и равна интервалу времени между передними фронтами импульсов на их выходах.

Логический элемент ИЛИ-НЕ 18 инвертирует сигнал на выходе логического элемента 17. Это обеспечивает попеременное включение ключевых элементов 3 и 4.

При напряжении сети выше номинального фаза импульсов ведомого генератора 14 такова, что они отстают по фазе от импульсов задающего генератора 11 более, чем на полупериод колебаний задающего генератора.

Поэтому передний фронт импульса задающего генератора 11 приходит во время импульса на выходе ведомого генератора 14, следовательно, на пря-, мом выходе триггера Iб будет постоянно единичный логический уровень, а на выходе логического элемента 1 8— нулевой, В результате ключевой элемент 3 будет постоянно закрыт.

На выходе логического элемента 17 присутствуют импульсы с удвоенной частотой задающего генератора, длительность которого зависит от сдвига фаз между импульсами задающего 11 и ведомого 14 генераторов и равна интервалу времени между передним фронтом импульса задающего 11 и задним фронтом импульса ведомого 14 генераторов, Логический элемент ИЛИ-НЕ 19 инвертирует сигнал на выходе логического элемента 17. Это обеспечивает попеременное включение ключевых элементов 4 и 5.

Таким образом, меняя сдвиг фаз между импульсами задающего 11 и ведомого

14 генераторов, обеспечивается требуемый закон переключения ключевых

1511739 элементов 3-5 и регулируется амплитуда и фаза напряжения на обмотке 1.2 трансформатора, а на выходе стабилизатора получается напряжение постоян5 ной амплитуды.

Задающий и ведомый генераторы 11 и 14 и регулируемый фазосдвигающий узел 12 работают следующим образом.

Импульсы с выхода высокочастотного генератора 2б, частота которых много выше частоты задающего генератора 11, поступают на счетные входы двоичных счетчиков 24 и 25, выходы старших разрядов которых являются выходами генераторов 11 и 14. Такое построение схем генераторов обеспечивает одинаковую частоту задающего

11 и ведомого 14 генераторов и одинаковую скважность импульсов, равную 2р двум.

Задний фронт импульса с выхода задающего генератора 11, пройдя через дифференциальную цепочку 20, запускает одновибратор 21 с регулируе- 25 мой длительностью импульса. Поэтому сигнал с выхода одновибратора 21, поступая через дифференцирующую цепочку 23 на вход обнуления счетчик. .

25, своим передним фронтом синхро- 3р ниэирует ведомый генератор 14, сдви-гая его импульсы относительно импульВов задающего генератора 11 на время импульсов одновибратора 21.

Время импульса одновибратора.регулируется автоматически узлом 22 сравнения (выполненным, например, на микросхеме 142 ЕН 1 Б), например, подключенным выходом к. управляющему входу одновибратора 21, 40

На фиг, 3 представлены диаграммы напряжений и токов в основных узловых точках схемы (прйчем при Г (с входное напряжение меньше номиналь—

НОГО я при Г t:(> HxopHoe напряжение 45 бОльше номинальногo) Где U H напряжения на выходах соответственно задающего 11 и ведомого 14 генератора, 1 — напряжение на выходе элемента ИГКЛ!ОЧАК)ЩЕЕ ИЛИ 17; U напряжение на прямом выходе триггера 1 6; U < и !! < — напряжения нЯ выходах элементов ИЛИ-HP. соответственно 18 и 19; i и i — токи через обмотки дросселя 2 соответственно

2,1, 2.2, при этом их огибающая представляет синусоиду, прямоугольная же аппроксимация, показанная на фиг. 3, объясняется тем, что на ней показана лишь малая часть периода входного напряжения, так как частота задающего генератора 11 много больше частоты сети,и невозможно в одном временном масштабе показать сигналы на выходе узла 9 управления и полный период входного напряжения.

Такое построение схемы стабилизатора позволяет увеличить КПД стабилизатора эа счет уменьшения потерь мощности на ключевых элементах и в узле управления. Это объсняется тем, что в предлагаемой схеме всегда открыт только один из ключевых элементов 3-5, ток через который не больше, чем токи через открытые клю чевые элементы в схеме †прототи, где всегда Открыты два ключевых элемента. Кроме того, при открытом ключевом элементе через него протекает ток по крайней мере вдвое меньший, чем ток, протекающий через открытый ключевой элемент схемы-прототипаа.

Особенно наглядно преимущества предлагаемой схемы видны при номинальном входном напряжении, когда ток нагрузки протекает через обмотку 1.2 трансформатора 1 и включенную параллельно ей цепь, состояющую иэ последовательно соединенных обмоток 1.1 и 1,3 трансформатора 1, обмоток 2„1 и 2.2 дросселя 2 и ключевого элемента 4. При этом потери мощности на открытом ключевом элементе и на управление им в узле управления в предлагаемой схеме по крайнеи мере в 4 раза меньше, чем в схеме-прототипе, так как в схеме открыт всего лишь один ключевой элемент и ток через него по крайней мере в два раза меньше тока через открытые элементы в схеме-прототипе, где открыты одновременно два ключевых элемента, Все это позволяет уменьшить потери мощности на ключевых элементах и, следовательно, увеличить КПД стабилизатора.

Фо рмул а изобретения

Импульсный стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого шунтирована конденсатором и первым выводом соединена через обмотку дросселя с первыми выводами первого и второго ключевых элементов, а вторичная включена между входным и выходным выводами одной из силовых шин, третий ключевой элемент, соединенный первым выводом с вторым выводом первого ключевого элемента и второй силовой шиной, при этом управляющие входы первого, второго и третьего ключевых элементов подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам узла управления, соединенного входом с выходными выводами и выполненного в виде последовательного соединения задающего генератора, регулируемого фазосдвигающего узла, управляющий вход которого подключен к выходу датчика амплитуды, соединенного выходом с входом узла управления, и ведомого генератора, вход которого подключен к выходу регулируемого фазосдвигающего узла, а выход — к первому входу логического блока, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, выходы логического блока являютея выходами узла управления, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД стабилизатора, в трансформатор и дроссель введены соответственно дополнительная первичная и дополнительная обмотки, а второй вывод

1739 IO первичной обмотки трансформатора соединен с разноименным выводом его .вторичной обмотки, второй вывод которой подключен к разноименному выводу дополнительной первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен через дополнительную обмотку дросселя с вторыми выводами второго и третьего ключевых элементов, причем вторичная и дополнительная первичная обмотки трансформатора шунтированы введенными кон. денсаторами, а логический блок узла управления выполнен на D-триггере, логическом элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и двух логических элементах ИЛИ-HF., причем D-вход и вход синхронизации

D-триггера соединены соответственно с первым и вторым входами логического блока, к которым подключены также входы логического элемента HCKJIN1

ЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами первого и второго логических элементов ИЛИ-НЕ, вторые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам Dтриггера, выходы логических элементов первого HJIH-HE, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ и второго ИЛИ-НЕ соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами узла управления, Фиг. 2

1511739

Составитель А, Волкова

Редактор О. Спесивых Техред И.Верес

Корректор М. Самборская

Заказ 5904!51 Тираж 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101