Регулируемый выпрямитель

 

Использование: изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в источниках питания для регулирования среднего значения выходного выпрямленного напряжения. Сущность изобретения: активное управление тиристорами на каждой полуволне входного сетевого напряжения и использование ШИМ управления по сигналу ошибки установления выходного напряжения позволяет получить стабилизированное напряжение на нагрузке. Регулируемый выпрямитель состоит из двух тиристоров с общим катодом и двух диодов с общим анодом, включенных по мостовой схеме между соответствующими входными сетевыми и выходными нагрузочными выводами и формирователя управляющих сигналов с обратной связью с выходного вывода. 2 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в источниках питания для регулирования среднего значения выходного выпрямленного напряжения.

Аналогом предлагаемого устройства является регулируемый выпрямитель (РВ) с управлением тиристорами в каждый полупериод питающего напряжения [1, 2] За прототип выбран наиболее близкий к предлагаемому устройству стабилизированный источник постоянного напряжения [2] содержащий мостовой силовой выпрямитель из двух тиристоров с общим катодом, выполненных полностью управляемыми, и двух диодов с общим анодом, два развязывающих диода с общим катодом, аноды тиристоров соединены с катодами соответствующих выпрямительных и анодами соответствующих развязывающих диодов и выводами для подключения сети, а их катоды с первым выводом для подключения нагрузки, аноды выпрямительных диодов соединены со вторым выходом для подключения нагрузки, а также формирователь управляющих сигналов, входами соединенный с катодами развязывающих диодов и вторым выводом для подключения нагрузки соответственно, первым и вторым выходами соединенный с входами выключения первого и второго тиристоров, а третьим выходом соединенного с входами включения первого и второго тиристоров.

Недостатком данного источника напряжения является то, что он построен на зависимости напряжения включения тиристора от тока управления. Эта зависимость является нелинейной и сама зависит от других факторов, например от температуры, что изменяет напряжение стабилизации. Кроме того, данная зависимость зависит от параметров тиристора коэффициента усиления по току, напряжения пробоя и т. п. которые имеют технологический разброс, что приводит к необходимости индивидуальной подстройки и существенно снижает технологичность изделия.

Предлагаемый РВ отличается от известных тем, что формирователь управляющих сигналов выполнен в виде первого резистора и первого транзистора n-p-n-типа проводимости, база которого соединена со вторым выводом первого резистора и через стабилитрон со вторым выводом для подключения нагрузки, а эмиттер соединен с анодом первого диода, базой второго транзистора p-n-p-типа проводимости и через первый генератор втекающего тока с вторым выводом для подключения нагрузки, эмиттер второго транзистора соединен с катодом первого диода, с коллектором третьего транзистоpа n-p-n-типа проводимости, с первым входом источника опорного напряжения и через первый конденсатор с вторым выводом для подключения нагрузки, а коллектор соединен с базой третьего транзистора, эмиттер которого соединен с базой четвертого транзистора n-p-n-типа проводимости и через параллельно включенные второй генератор втекающего тока и второй конденсатор с вторым выводом для подключения нагрузки, коллектор четвертого транзистора соединен с катодами второго и третьего диодов, аноды которых формируют соответственно первый и второй выходы формирователя управляющих сигналов, а эмиттер четвертого транзистора соединен с эмиттером пятого транзистора n-p-n-типа проводимости и через третий генератор втекающего тока с вторым выводом для подключения нагрузки, коллектор пятого транзистора формирует третий выход формирователя управляющих сигналов, а база соединена с выходом усилителя сигнала ошибки и через третий конденсатор с вторым выводом для подключения нагрузки, неинвертирующий вход усилителя сигнала ошибки соединен с выходом источника опорного напряжения, второй вход которого соединен с вторым выводом для подключения нагрузки, а инвертирующий вход усилителя сигнала ошибки соединен со средней точкой делителя напряжения, состоящего из второго и третьего резисторов, вторые выводы которых соответственно соединены с первым и вторым выводами для подключения нагрузки, при этом первый вывод первого резистора и коллектор первого транзистора формируют первый вход формирователя управляющих сигналов.

На фиг. 1 приведена структурная схема РВ; на фиг. 2 временная диаграмма его работы.

РВ содержит мостовой силовой выпрямитель из тиристора 1 и 2 с общим катодом, выполненным полностью управляемыми, и двух диодов 3 и 4 с общим анодом, два развязывающих диода 5 и 6 с общим катодом, аноды тиристоров соединены с катодами выпрямительных диодов 3 и 4 и анодами соответствующих развязывающих диодов 5 и 6 и выводами для подключения сети 7 и 8, а их катоды с выводом для подключения нагрузки 9, аноды выпрямительных диодов соединены с выходом для подключения нагрузки 10, а также формирователь управляющих сигналов, состоящий из резистора 11, первый вывод которого соединен с катодами развязывающих диодов 5 и 6 и с коллектором транзистора 12, база которого соединена с вторым выводом резистора 11 и через стабилитрон 13 с выводом для подключения нагрузки 10, а эмиттер транзистора 12 соединен с анодом диода 14, базой транзистора 15 и через генератор втекающего тока 16 с выводом для подключения нагрузки 10, эмиттер транзистора 15 соединен с катодом диода 14, коллектором транзистора 17, первым входом источника опорного напряжения 18 и через конденсатор 19 с выводом для подключения нагрузки 10, а коллектор транзистора 15 соединен с базой транзистора 17, эмиттер которого соединен с базой транзистора 20 и через параллельно включенные генератор втекающего тока 21 и конденсатор 22 с выводом для подключения нагрузки 10, коллектор транзистора 20 соединен с катодами диодов 23 и 24, аноды которых соединены с входами выключения тиристоров 1 и 2 соответственно, эмиттер транзистора 20 соединен с эмиттером транзистора 25 и через генератор втекающего тока 26 с выводом для подключения нагрузки 10, коллектор транзистора 25 соединен с входом включения тиристоров 1 и 2, а база соединена с выходом усилителя сигнала ошибки 27 и через конденсатор 28 с выводом для подключения нагрузки 10, неинвертирующий вход усилителя сигнала ошибки 27 соединен с выходом источника опорного напряжения 18, второй вход которого соединен с выводом для подключения нагрузки 10, а инвертирующий вход усилителя сигнала ошибки 27 соединен со средней точкой делителя напряжения, состоящего из резисторов 29 и 30, вторые выводы которых соответственно соединены с выводами для подключения нагрузки 9 и 10.

Схема работает следующим образом.

Сетевое питание переменного тока подается на входные выводы 7 и 8 и на выходе диодного моста на диодах 3, 4, 5, 6 формируется выпрямленное сетевое напряжение в виде полуволн положительной полярности. Это напряжение поступает на коллектор транзистора 12. Его база стабилизируется стабилитроном 13 на всем интервале полуволны, за исключением интервала фазы нуля t (фиг. 2). В момент фазы нуля, когда амплитуда полуволны ниже напряжения стабилизации стабилитрона 13, база транзистора 12 уже не стабилизируется, транзистор 12 закрывается и напряжение на эмиттере транзистора 12 опускается до нуля. На катоде диода 14 напряжение сглаживается конденсатором 19 и стабилизируется на всем интеpвале времени. Таким образом, на аноде и катоде диода 14 напряжение определяется следующим образом: U_AD14: При U_AC > U_СТ U_AD14 U_CT U_БЭТ12 При U_AC < U_CT U_AD14 U_AC U_БЭТ14 U_КD14: При любых U_AC U_KD14 U_CT U_БЭТ12-U_D14, где U_AC выпрямленное напряжение на мосту 3, 4, 5, 6; U_AD14 напряжение на аноде диода 14; U_KD14 напряжение на катоде диода 14; U_CT напряжение стабилизации стабилитрона 13; U_D14 прямое падение напряжения диода 14; U_БЭТ12 прямое падение напряжения перехода база-эмиттер транзистора 12.

На катоде диода 14 напряжение стабилизируется после нескольких периодов сетевого питания, когда зарядится конденсатор 19. Это стабилизированное напряжение питают всю схему управления (формирователь управляющих сигналов). Конденсатор 22 заряжается на момент фазы нуля током транзистора 17 и на нем формируется пилообразное напряжение. При этом время заряда конденсатора меньше длительности фазы нуля и определяется током транзистора 17, который включается в момент начала фазы нуля. Его ток выбирается значительно больше тока генератора 21. Когда напряжение на аноде диода 14 вновь поднимается до уровня напряжения стабилизации диода 13, транзисторы 15 и 17 закрываются, и генератор тока 21 начинает разряжать конденсатор 22 током, в несколько раз меньшим тока заряда, формируя спад пилы (фиг. 2). При этом время спада пилы должно быть не более длительности полуволны. Таким образом на конденсатоpе 22 и соответственно на базе транзистора 20 (т. е. на одном из входов компаратора) формируется линейно спадающее пилообразное напряжение (фиг. 2). На другой вход компаратора (на базу транзистора 25) подается напряжение с усилителя ошибки 27. Усилитель ошибки сравнивает напряжение опоры, формируемое схемой опорного напряжения 18, с напряжением, снимаемым с делителя на резисторах 29 и 30, подключенного к первому выходу подключения нагрузки 9, и усиливает разность, управляя зарядом и разрядом конденсатора 28. Если напряжение опоры больше напряжения на делителе, то конденсатор 28 заряжается, иначе конденсатор 28 разряжается.

Компаратор сравнивает напряжение пилы с напряжением на конденсаторе 28 (уровень U1 на фиг. 2) и если напряжение пилы меньше, то включается один из тиристоров (в зависимости от того, какая полуволна: на четной полуволне включается один, на нечетной другой). Тиристор закрывается в момент спада полуволны до нуля. Закрытие тиристора активно поддерживается схемой управления. В этот момент конденсатор пилы 22 максимально заряжен, транзистор 20 компаратора открывается и током коллектора закрывает активный на данный момент тиристор (фиг. 2). Диоды 23 и 24 предотвращают взаимовлияние тиристоров.

Напряжение с силового выхода выпрямителя подается на делитель 29-30, и усилитель ошибки усредняет его на конденсаторе 28, который заряжается тем больше, чем меньше открыты тиристоры. Тем самым напряжение на базе транзистора 25 опускается (уровень U2 на фиг. 2), вызывая открывание тиристоров на более длительное время. А это вызывает уменьшение усредненного напряжения на конденсаторе 28, что заставляет компаратор включать тиристоры на более короткое время.

Таким образом реализуется обратная связь и усредненное напряжение на выходе выпрямителя стабилизируется.

Уровень этого усредненного стабильного напряжения определяется соотношением резисторов делителя 29-30. Таким образом, выбирая нужное соотношение резисторов 29 и 30, можно установить требуемое выходное напряжение выпрямителя. Благодаря использованию активного управления тиристорами и ШИМ по обратной связи выходное напряжение почти не зависит от параметров элементов и поэтому устройство высоко технологично при интегральном исполнении.

Формула изобретения

РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ, содержащий мостовой силовой выпрямитель из двух тиристоров с общим катодом, выполненных полностью управляемыми, и двух диодов с общим анодом, два развязывающих диода с общим катодом, аноды тиристоров соединены с катодами соответствующих выпрямительных и анодами соответствующих развязывающих диодов и выводами для подключения сети, а их катоды - с первым выводом для подключения нагрузки, аноды выпрямительных диодов соединены с вторым выходом для подключения нагрузки, а также формирователь управляющих сигналов, входами соединенный с катодами развязывающих диодов и вторым выводом для подключения нагрузки соответственно, первым и вторым выходами соединенный с входами выключения первого и второго тиристоров, а третьим выходом соединенный с входами включения первого и второго тиристоров, отличающийся тем, что формирователь управляющих сигналов выполнен в виде первого резистора и первого транзистора n - p - n-типа проводимости, база которого соединена с вторым выводом первого резистора и через стабилитрон - с вторым выводом для подключения нагрузки, а эмиттер соединен с анодом первого диода, базой второго транзистора p - n - p-типа проводимости и через первый генератор втекающего тока - с вторым выводом для подключения нагрузки, эмиттер второго транзистора соединен с катодом первого диода, с коллектором третьего транзистора n - p - n-типа проводимости, с первым входом источника опорного напряжения и через первый конденсатор - с вторым выводом для подключения нагрузки, а коллектор соединен с базой третьего транзистора, эмиттер которого соединен с базой четвертого транзистора n - p - n-типа проводимости и через параллельно включенные второй генератор втекающего тока и второй конденсатор - с вторым выводом для подключения нагрузки, коллектор четвертого транзистора соединен с катодами второго и третьего диодов, аноды которых формируют соответственно первой и второй выходы формирователя управляющих сигналов, а эмиттер четвертого транзистора соединен с эмиттером пятого транзистора n - p - n-типа проводимости и через третий генератор втекающего тока - с вторым выводом для подключения нагрузки, коллектор пятого транзистора формирует третий выход формирователя управляющих сигналов, а база соединена с выходом усилителя сигнала ошибки и через третий конденсатор - с вторым выводом для подключения нагрузки, неинвертирующий вход усилителя сигнала ошибки соединен с выходом источника опорного напряжения, второй вход которого соединен с вторым выводом для подключения нагрузки, а инвертирующий вход усилителя сигнала ошибки соединен со средней точкой делителя напряжения, состоящего из второго и третьего резисторов, вторые выводы которых соответственно соединены с первым и вторым выводами для подключения нагрузки, при этом первый вывод первого резистора и коллектор первого транзистора формируют первый вход формирователя управляющих сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2