Импульсный стабилизатор напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания различных радиоэлектронных устройств при повышенных требованиях к точности стабилизации выходного напряжения. Целью изобретения является повышение надежности за счет снижения пускового тока и точности стабилизации выходного напряжения. В период пуска стабилизатора ограничитель 3 обеспечивает работу стабилизатора при малых пусковых токах. При работе стабилизатора при входном напряжении U&x большем выходного ПВЬ|Хработает транзистор 11, а транзистор 12 закрыт, при Пвх ивь(х транзистор 11 полностью открыт, а стабилизация напряжения осуществляется транзистором 12, При снижении входного напряжения меньше допустимой величины ограничитель 3 напряжения предЬтвращает переход транзистора 12 в полностью открытое состояние, т.е. исключает возникновение аварийного режима. 2 з.п. ф-лы, k ил.

СОЮЗ СОВЕТСИИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИ Х

РЕСПУБЛИН (g1}g G 05 F 1/56

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ ССа

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

6/1

K ABT0PCK0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4678465/07 (22) 14. 04,89 (46) 30.10 91. Бюл >Г 40 (71) Научно-исследовательский институт приборостроения (72) А.Н.Ершов и Э.М.Серебряный (53) 621 ° 316,722.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР ,1" 920673, кл. G 05 F 1/569, 1982.

Авторское свидетельство СССР

М 1265740, кл. G 05 F 1/56, 1986, (54) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания различных радиоэлектронных устройств при повышенных требованиях к точности стабилизации выходного напряжения. Целью изобретения является повышение на„„SU,„, 1688235 А 1 дежности эа счет снижения пускового тока и точности стабилизации выходного напряжения, В период пуска стабилизатора ограничитель 3 обеспечивает работу стабилизатора при малых пусковых токах. При работе стабилизатора при входном напряжении USx большем выходного И8 жрабптает транзистор 11, а транзистор

12 закры при 1 в < U»х тр тор 11 полностью открйт, а стабилизация напряжения осуществляется транзистором 12, При снижении входного напряжения меньше допустимой величины ограничитель 3 напряжения предотвращает переход транзистора 12 в полностью открытое состояние, т,е. исключает возникновение аварийного режима. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1688235

Э

Изобретение относится к электротехнике и может быт ь ис г1 ол ь зова но для электропитания различных радиоэлектронных устройс гв гри повышенных требованиях к точности стабилизации выходного напряжения, Целью изобретения является повышение надежнос ги путем снижения пускового тока и точнссти стабилизации выходного напряжения.

"г1а флг, 1 изображена структурная схема стабилизатора„ на фиг,. 2 то же, генератора пилообразного напряжения*, на фиг. 3 " временные диаграммь1, иллюстрирующие формиро1эание пилообразных сигналов, на фиг.4 то же, работы стабипиза гора.

Стабилизатор (фиг,11 содержит ключевой преобразователь 1, вход которого является входом стабилизатора, а выход - выходом стабилиэа1 тора и соединен с первым входом усилителя 2 сигнала ошибки „, выход которого соединен с управляющим входом ограничителя 3 напряжения, выход, . которого соединен с вторым вхОдОм первого компаратора 4 и первым входом второго компаратора 5, выходы которых соединены с управляющими входами соответственно первого 6 и второго 7 транзисторных ключей. Выход генератора 8 пилообразного напряжения соединен с первым входом первого компаратора 4 и первым входом инвертора 9, выход которого соединен с вторым входом второгэ компаратора

5. Эталонный выход источника 10 опорного напряжения соединен с вторым входом усилителя 2 сигнала ошибки.

Первый дополнитегьный выход источника 10 опорного напряжения соединен с зходом задания нлжнего порога (U f1 1 „ ) генератора 8 пилообразного напряжения и вторым входом инвертора

9. Второй дополнительный выход исто 1ника 10 ОПОрнОГО 14алряжения coG динен с задающим входом ограничи-геля 3 напряжения и входом задания верхнего порога, ; „о „., ) генера roра 8 пилообразного напряжения. Транзисторнь1е ключи 6, 7 соединены последовательно и аключены между входом управления последовательным ключом

11 ключевого преобразователя 1 и общей шиной. Вход управления параллельного ключа 12 соединен с обшей то .кой транэисторнь1х к.г1ючей 6, /, 25

ЗО

«О

Ограничитель 3 напряжения состоит из первого резистора 13, включенного между управляющим входом и выходом диода 14, транзистора 15, база которого через второй резистор 16 соединена с задающим входом„ третьего резистора 17 и конденсатора 18, подключенных между базой транзистора 15 и общей шиной.

Генератор 8 пилообразного напряжения содержит интегратор 19, первый вход которого является входом задания нижнего порога UÄ<>p л генера-гора пилообразного напряжения, а выход - выходом генератора пилооб разного напряжения. Выход интегратора

19 соединен с первым входом третьегс компаратора 20 и — через ключ 21 - сс своим вторым входом. Второй вход компаратора 20 является входом задания верхнего порога U „ p e, генератора, а выход соединен с управляющим входом ключа 21.

Стабилизатор работает следующим образом.

Стабилизатор относится к группе устройств„ у которых напряжение на входе: может быть как выше, так и ниже выходного. Поэтому ключевой преобразователь 1 стабилизатора в

ЗаВИСИМОСтИ От УРОВНЯ ВХОДНО1-О Напряжения работает в понижающем или повышающем режиме. )!ля получения высокой точности стабилизации выходного напряжения при переключении ключевого преобразователя 1 из понижающего режима в повышающий и наоборот, регу лировочная характеристика -..òàáèëèçÿтора не дoflRHR претерпевать разрыва, т.е.в цепи обратной связи kp должен

ВОЗНИКатЬ НЕЛИНЕйНС ГС тИПа нЛЮфт11,дЛя выполнения этог о условия сигнал усилителя 2 ошибки сравнивается -Ia двух компараторах 4 и 5 с двумя пилообразными сигналами. Сигналы формируются симметричными относительно второго опорного напряжения 1„ „ н,т.е. нарастание первой и второл "пилы" происходит из одной. точки (фиг.3),, При измененли сигнала на выходе усилителя 2 сигнала ошибки от минимума ло максимума происходит нарастание относительной длительности импульсов от "0" до "1" на выходе первого компаратора 4 и затем уменьшение относительной,1лительности импульсов от "1" до "0,1п на выходе второго компаратора 5. При

5 16 этом переключение стабилизатора из понижающего режима в повышающий и наоборот происхорит без "перескока" в цепи регулирования, что обеспечивает высокую точность стабилизации выходного напряжения. формирование двух, сигналов пилообразного напряжения происходит следующим образом.

На выходе интегратора 19 формируется линейно нарастающее напряжение, скорость нарастания которого определяется величинами Ь „ я резистора R и конденсатора С (фиг,2), При достижении сигналом интегратора 19 напряжения U Äop > срабатывает компаратор 20 и открывает ключ

21, через который происходит разряд конденсатора С интегратора 19 (фиг.3). На выхоре интегратора 19 устанавливается напряжение U „o н ключ 21 закрывается и процесс повторяется (фиг.3), Таким образом, на выходе генератора 8 пилообразного напряжения (интегратора 19) формируется первый пилообразный сигнал с размахом напряжения, равным по.в пор.н

1 торой сигнал пилообразного напряжения формируется инвертированием первого сигнала в инверторе 9 Поскольку и генератор 8 пилообразного напряжения, и инвертор 9 формируют сигналы относительно одного и того же опорного напряжения U H то оба сигнала не накладываются орин на другой, но и не создают нелинейности регулировочной характеристики.

Рассмотрим работу стабилизатора в разные временные интервалы (фиг.4); — О...t< — переходный процесс при включении, г = t ...t< — стабилизация при

"в > "вык> .. t — стабилизация при

-.жении 11вх ро в-ичины 11вх < 1вых, — t<,...t — стабилизация при

1 ь К Ц в ь х

t ) t> — дальнейшее снижение UB>.

При включении стабилизатора в первый момент времени напряжение на выходе Ив х (фиг.4а) равно нулю, и на выходе усилителя 2 ошибки формируется всплеск сигнала (на фиг.4б показан пунктиром). Поступление такого сигнала на компараторы 4 и 5 вызывало бы открытие последователь88235

РО

55 ного 11 и и-раллельного 12 транзисторов ключевого преобразователя 1, что может привести к пробою мощных транзисторов 11 и 12 и вь ходу стабилизатора из строя. Для исключения такой ситуации сигнал .усилителя 4 ошибки предварительно прохорит через ограничитель 3. Уровень ограничения изменяется во времени и плавно нарастает при включении от нуля до величины, ограничивающей относительную длительность открытия транзистора 12 повышающей ветви ключевого преобразователя 1 на уровне 0,85...0,95 (т.е. защиту от короткого замыкания). Уровень ограничения устанавливается резисторным делителем 16, 17 с учетом падения напряжения на диоде 14 и переходе база-эмиттер транзистора 15, а время нарастания — резисторами 16, 17 и конденсатором 18 ограничителя 3.

Как только напряжение сигнала .. усилителя 2 ошибки становится меньше напряжения ограничения, ограничитель отключается (запирается диод

14) и напряжение на входах компараторов становится равным напряжению сигнала усилителя 2 ошибки, Сигнал, прошедший через ограничитель 3 на входы компараторов 4 и

5, мал (фиг.4б). На первь и вхор первого компаратора 4 поступает пи",г.— образный сигнал инвертора 9 11„ц (фиг.4б), напряжение которого изме \ т; няется от 1, „,„, до (2 пр, и— — U О ., а на второй вхор — сигнал ошибки, прошедший через ограничитель 3. Поскольку сигнал на выходе ограничителя 3 возрастает плавно,тс н выходе компаратора 4 формируются импульсы (фиг.4в) нарастаюшей длительности, которые через первый транзисторный ключ 6 открывают послеровательный транзистор 11 ключевого преобразователя 1. Второй компаратор 5 сравнивает сигнал ошибки с сигналом генераторов 8 11гии (фиг.4б), который изменЯетсЯ от И пор Ро U п Р >, Компаратор 5 формирует на выхоре сигнал

"1" (фиг.4г) и открывает второй транзисторный ключ 7, который запирает параллельный транзистор 12 ключевого преобразователя. На интервале 0 — t< происхорит работа последовательного транзистора 11 ключевого преобразователя 1, на выходе стабилизатора плавно нарастает выход. ное напряжение, потребление тока возрастает плавно без больших пусковых бросков.

Установка в цепи регулирования ограничителя 5 обеспечивает надежную рвботу стабилизатора ;!fà счет резкого снижения пускового тока, а также

6Ыстрое, беэ перерегулирования плавное установление выходного напряжения.

На временном интервале при П qz 0 1f e>III работа .стабилизатора продолжается по описанному алгоритму, т.е, переключается только последовательный транзистор 11. Параллельный транзистор 12 ключевого преобразователя 1 остается закрытым.

На Временном интервале t 2 ... т4 20 (фиг.ча) входное напряжение начинает понижаться и в момент т. становится равным выходному. Напряжение сигнала на выходе усилителя 2 сигнала ошибки возрастает, и на выходе пер- 25 вого компаратора 4 формируются импульсы все большей длительности. В момент времени t > напряжение сиг— нала усилителя 2 ошибки становится равным напряжению .Jä „ol.,н ранзистор 11 go ключевого преобразователя 1 полно<, тью открывается. Наступает момент, когда транзистор 11 открыт полностью, а транзистор 12 еще закрыт„ поскольку регулировочная характеристика стабилизатора линейна и не е имеет "люфта", то дальнейшее снижеНие 1 „ сразу вызывает переключение IlI1opoI п компаратора 5. Второй трлнЗисторный ключ 7 за Kp6IBRc .òñÿ и ток 4д базы транзистора 11 через первый транзисторный ключ б поступае- в базу параллельного транзистора 12 ключевого преобразователя 1. Стабилизатор начинает работать в повы- 4 шающем режиме,Использование общей

Ф цепи базы мощных транзисторов 11 и

12 позволяет снизить энергопотребление на раскачку оконечного каскада, что при мощности стабилизатора бо1 лее 100 R1 составляе т единицы Ватт„

На временном интервале с11 бы и постоянно. При этом побx - бых следоватыельный транзистор 11 IlncTQBI- но открыт, а параллельный транзистоо

12 ключевого преобразова reля 1 коммутируется со скважностью, эависящеff от соотношения величин 13; и 11 дХ а также от величины тока нагрузки, В момент времени t начинается новое снижение входного напряжения.

Напряжение сигнала на выходе усилителя 2 ошибки снова начинаэT расти, что увеличивает продолжительность включения второго транзистора 12 ключевого преобразователя 1, При достижении сигналом усилителя 2 ошибки напряжения ограничения снова включается ограничитель 3, Несмотря на рост напряжения сигнала усилителя 2 ошибки (пунктирная линия на фиг.46) напряжение сигнала на входе второго компаратора 5 остается постоянным, что исключает возможность постоянного открытия транзистора 12 и короткого замыкания через транзистор. Стабилизатор выходит при этом из режима стабилизации и выходное напряжение несколько снижается.

Однако во время таких аварийных просадок входного напряжения стабилизатор сохраняет работоспособность, а при восстановлении входного напряжения продолжает работу.

Устройство обеспечивает высокую надежность работы во всех режимах стабили;.,-„ции, в 3-5 раз более быстрый и плавный выход на режим при малых пусковых токах и высокую точность стабилизации выходного напряжения при изменении входного напряжения в широких пределах, формула и з о б р е т е н и я

1. Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий последовательно-параллельный ключевой преобразователь, вход которого соединен с входным выводом, а выход — с выходным выводом и первым входом уcèëèтеля ошибки, второй вход которого подключен к эталонному выходу источника опорно -о напряжения,, общую шину, первый и второй компараторы, генератор пилообразного напряжения, 1 выход которого соединен с первым входом г;ервого компаратора, о т л и ч а ю шийся тем,, что, с целью повышения надежности путем снижения пусковых токов и точности стабилизации выходного напряжения, в него введены первый и второй транзисторные ключи, ограничитель напряжения и инвертор, генератор пилообразного напряжения, выполненный формирующим

1688235

10 напряжение, изменяющееся в диапазоне от нижнего до верхнего порогов, при этом выход генератора пилообразного напряжения соединен с первым входом инвертора, выход усилителя ошибки с входом управления ограничителя напряжения, выход которого соединен с вторым входом первого компаратора и первым входом второго компаратора, 10 второй вход которого соединен с выходом инвертора, выходы первого и второго компараторов, соединены с управляющими входами соответствующих транзисторных ключей, вход управле- 15 ния последовательным ключом ключевого преобразователя через последовательно соединенные первый и второй транзисторные ключи подключен к общей. шине, вход управления параллель- 20 ным ключом ключевого преобразователя соединен с общей точкой первого и второго транзисторных ключей, при этом источник опорного напряжения снабжен двумя дополнительными выходами, первый из которых соединен с входом задания нижнего порога Б о р генератора пилообразного напряжения и вторым входом инвертора, а второй дополнительный выход источника опор- ЗО ного напряжения соединен с задаюшим входом ограничителя напряжения и входом задания верхнего порога Uz» генератора пилообразного напряжения, при этом 2> mop „) "nop s

2. Стабилизатор по п., 1, о т л и-. ч а ю шийся тем, что генератор пилообразного напряжения содержит третий компаратор, третий транзисторный ключ и интегратор, выход которого является выходом генератора пилообразного напряжения и соединен с первым входом третьего компаратора и через третий транзисторный ключ подключен к первому входу интегратора, а выход третьего компаратора соединен с управляющим вхолом третьего транзисторного ключа, вторые входы интегратора и третьего компаратора являются входами задания соответственно нижнего и верхнего порогов генератора пилообразного напряжения.

3. Стабилизатор по и.1 или 2, о тл и ч а ю шийся тем, что ограничитель напряжения содержит три резистора, конденсатор, диод и транзистор, при этом вход управления ограничителя напряжения через первый резистор соединен с выходом ограничителя напряжения и через диод - с эмиттером транзистора, коллектор которого соединен с общей шиной, задающий вход ограничителя напряжения через второй резистор соединен с базой транзистора, которая через параллельно соединенные третий резистор и конденсатор соединена с общей шиной, 1688235 %а

tdl1lf.Я

Ф fNX. д

8 àîà.

О каМХ ап

Составитель Е„финогенов

Редактор А.Маковская Техред Л„Олийнык Корректор Л. Пилипенко, O

Заказ 3709 Тираж 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