Импульсный параметрический стабилизатор постоянного напряжения

 

Союз Соеетскик

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 10.11.78 (21) 2684829/24-07 (51)М. Кл. с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет

G 05 F 3/08

Госудвретввииый комитет

СССР до делам изабретеиий и открытий

Опубликовано 15.11.80. Бюллетень ¹ 42 (53) УДК 621.316. .722.1 (088. &) Дата опубликования описания 15.11.80 (72) Авторы изобретения

Н, И. Олейник, Ю. М. Любченко, В. И. Петренко, В.В. Героев и В. А. Кроваткин (7l) Заявитель (54) ИМПУЛЬСНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР

ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в целях питания различной радиотехнической аппаратуры.

Известны импульсные параметрические стабилизаторы постоянного напряжения (1) и (2l

Первое из известных устройств (11 содержит ключевой транзистор, сглаживающий LC-фильтр на линейном дросселе и конденсаторе, коммутирующий диод, насышаюшийся трансформатор и источник опорного напряжения. Одним из недос1а татков устройства является повышенные потери электроэнергии в силовой цепи из-за введения в нее элементов схемы управления (обмотки насьпцающегося трансформатора).

Второе из известных устройств (21, являюше15 еся наиболее близким техническим решением к данному изобретению содержит ключевой транзистор, включенный между входной клеммой и дросселем LCD-фильтра, конденсатор которого подключен параллельно выходным клеммам, насышаюшийся трансформатор, первичная обмотка которого одним выводом подключена к коллектору ключевого транзистора, другим выводом — к общей шине, а вторичная обмотка одним выводом соединена с базой ключевого транзистора, другим выводом через резистор с эмиттером этого транзистора и входной клеммой.

Недостатком данного устройства при питании от источника ограниченной мощности являются большие масса и габариты сглаживающего фильтра.

Действительно, индуктивность дросселя и емкость конденсатора фильтра выбирается нэ расчета обеспечения допустимой величины амплитуды пульсаций выходного напряжения при наибольшей длительности разомкнутого состояния ключевого транзистора, т.е. при минимальной моцности нагрузки и максимальном напряжении питания. По мере увеличения мощности нагрузки возрастает длительность разомкнутого состояния ключевого транзистора, в результате чего амплитуда пульсаций уменьшается. Таким образом, нри снижении напряжения питания, а также при работе стабилизатора на нагрузку, мощи ность которой превышает минимальную, индуктивность дросселя и емкость конденсатора

10 !

35

С 1 ц

17 18 ст

СР

S0

3 77 фильтра остаются недоиспользованными, а их масса и габариты являются завышенными.

Целью изобретения является уменьшение массогабаритных показателей.

Поставленная цель достигается тем, что импульсный параметрический стабилизатор посто1тнного напряжения снабжен датчиком амплитуди пульсаций, выпрямителем, генератором линейного нарастающего напряжения, сравниваю.щим элементом, разрядным ключом, двумя диодами, трансформатором, обратным диодом, дополнительной обмоткой дросселя LCD-фильтра, и ограничительным резистором, причем датчик амплитуды пульсаций подключен- входом к выходным клеммам, а выходом через выпрямитель — ко входу генератора линейно нарастающего напряжения, выход которого через первичную обмотку трансформатора, шунтированную обратным диодом, соединен с силовыми электродами разрядного ключа, через сравнивающий элемент — с управляющим электродом этого ключа, а через ограничительный резистор— с одним выводом дополнительной обмотки дросселя, другой вывод которой через первый диод подключен к управляющему электроду разрядного ключа, при этом один вывод вторичной обмотки трансформатора через второй диод цодключен к базе ключевого транзистора, а другой вывод — к другому выводу вторичной обмотки насыщаюшегося трансформатора.

Принципиальная электрическая схема стабилизатора представлена на чертеже.

Стабилизатор содержит ключевой транзистор

1 коммутирующий диод 2 LCD-фильтра, насыщающийся трансформатор 3 с магнитопроводом из материала с прямоугольной петлей гистерезиса и двумя обмоткдми: первичной 4 и вторичной 5, источник опорного напряжения, образованный фильтрующим конденсатором 6 и стабилитроном 7, сглаживающий LCD-фильтр на конденсаторе 8 и линейном дросселе с обмоткой 9 и дополнительной обмоткой 10, датчик пульсаций 11 состоящий из конденсатора 12 и трансформатора 13, выпрямитель 14, сглаживающий конденсатор 15, генератор линейно нарастающего напряжения 16, образованный, например, конденсатором 17 и резистором 18, сравнивающий элемент— стабилитрон 19, разрядный ключ — тиристор 20, трансформатор 21 с первичной обмоткой. 22 и вторичной 23, обратный диод 24, первый диод 25, резистор 26 и второй диод 27.

Устройство работает следующим образом.

В момент подачи входного напряжения за счет токов утечки транзистора 1 создается некоторое напряжение на обмотке 4 трансформатора 3. Напряжением на вторичной обмотке

5 транзистор 1 лавинообразно открывается и

9994 4

:удерживается в замкнутом состоянии. Через транзистор 1 и обмотку 9 дросселя протска ет нарастающий по величине ток. На выходе устройства появляется напряжение. Магнитопровод трансформатора 3 под действием приложенного к обмотке 4 напряжения начинает перемагничиваться. Выходное напряжение поступает на вход датчика пульсаций 11.

Выделенное конденсатором 12 переменное напряжение повышается трансформатором 13, выпрямляется выпрямителем 14, сглаживается конденсатором 15 и поступает «а вход генератора линейно нарастающего напряжения 16. Напряжение на выходе генератора 16 — конденсаторе

17 нарастает практически линейно во времени.

После достижения этим напряжением уровня пробоя 11 . стабилитрона образуется цепь: положительная обкладка конденсатора 17 — стабилитрон 19 — управляющий переход тиристора 20— отрицательная обкладка конденсатора 17. Тиристор 20 открывается. Конденсатор 17 начинает разряжаться по цепи. положительная обкладка

17 — обмотка 22 трансформатора 21 — тиристор

20 — отрицательная обкладка конденсатора 17, Напряжение конденсатора прикладывается к обмотке 22. Импульс напряжения положительной полярности, возникающий во вторичной обмотке 23, поступает через диод 27 к эмиттербазовому переходу транзистора 1 и закрывает его.

Таким образом, время t3 замкнутого состо яния транзистора 1 определяется временем заряда конденсатора 17 до напряжения пробоя (стабилизации) U<> стабилитрона 19: где С„. -- емкость конденсатора 17; г — сопротивление резистора 18;

18

U р — величина среднего напряжения на входе генератора 16.

Время t разомкнутого состояния транзистора

1 определяется временем перемагничивания магнитопровода трансформатора 3 в исходное состояние под действием напряжения Upp источника опорного напряжения. Это обеспечивается следующим образом.

В момент закрытия транзистора 1 полярность

ЭДС самоиндукции на обмотке 9 линейного дросселя изменяет знак. Коммутирующий диод

2 открывается. К обмотке 4 прикладывается напряокение Up<, обеспечиваемое источником опорного напряжения, выполненным «а конденсаторе б и стабилитроне 7. Ток намагничивания обмотки 4 протекает по цепи: положительная обкладка конденсатора 6 — обмотка 4 -- диод

2 — отрицательная обкладка конденсатора 6.

779994 6

1- Коэффициент заполнения импульсного цикла — (41

t + 9

Замена t и t> в (4) вьцэажениями (1) и

3 (3) дает

К змиттер-базовой цепи транзистора 1 прикладь вается напряжение, переводящее транзистор 1 в режим глубокой отсечки. Магнитопровод трансформатора 3 перемагничивается в исходное состояние. Конденсатор 17 разряжается до нуле вого напряжения через тиристор 20, пребывающий в замкнутом состоянии в течение времени разомкнутого состояния транзистора 1.

Замкнутое состояние тиристора 20 в течение времени t9 обеспечивается током, протекающим10 по цепи: дополнительная обмотка 10 линейного дросселя-диод 25-ограничительный резистор 26 обмотка 10, и возникающим в момент изменения полярности на обмотках дросселя при закрытии транзистора 1. I5

При достижении магнитопроводом исходного насыщенного состояния, напряжение на первичной 4, а значит и на вторичной 5 обмотках трансформатора 3 падает практически до нуля.

Транзистор 1 приоткрывается. За счет токов щ утечки на обмотках 4 и 5 появляется напряжение и транзистор 1 лавинообразно открывается.

°Ток, проходящий через обмотку 9 дросселя, увеличивается. Полярность ЭДС самоиндукции

1 на дросселе меняет знак. Диод 5 защищает э5 управляющий электрод тиристора 20 от отрицательного потенциала при изменении полярности на обмотке 10. Тиристор 20 закрывается. Возникающее при этом перенапряжение на обмотке

22 устраняется за счет обратного диода 24.Диод чО

27 развязывает цепи обмоток 5 и 23. В момент начала роста тока в обмотке 9 дросселя и закрытия тиристора 20 конденсатор 17 генератора

16 начинает заряжаться. В дальнейшем процессы в устройстве повторяются.

За время t замкнутого состояния транзистоЪ ра 1 индукция в магнитопроводе трансформатора 3 изменяется на величину

01

Х=

4S

ЯВ ф/ 17 15 сто Вх Оп} с г- u (u -0

ОП 9 ОП

Тогда время разомкнутого состояния транзистора 1

$$

Формула изобретения

С r U (U ь. л .е cubi ьх on)

ОР С9 ОП Ь ("Ьx- Uîn)

a,Ü= М

6-а где U — напряжение на входе устройства; ех

$,W — площадь поперечного сечения магнитопровода и количество витков первичной обмотки трансформатора 3 соответственно.

Подставляя в (2) выражение (1) получим:

Используя известное соотношение между входным и выходным напряжениями импульсного однотактного преобразователя понижающего типа, получим

UBblx = t ивх--0о„. т.е. выходное напряжение преобразователя не зависит от входного и по своей величине равно опорному. Вто же время,,устройство обеспечивает стабилизацию амплитуды пульсаций выходного напряжения на минимальном уровне.

Постоянство амплитуды пульсаций достигается автоматически изменением частоты работы ключевого транзистора. Это осуществляется следующим образом.

Предположим, что устройство работает на максимальную нагруэку.(ири минимальном вход ном напряжении). Очевидно, что переменное напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора 13 датчика пульсаций и напряжение U р на выходе выпрямителя 14 будут обладать строго определенной величиной, Ей соответствует некоторое время t3 заряда кон. денсатора 17 и замкнутого состояния транзистора 1. При снижении мощности нагрузки (увеличении входного напряжения) существует тенденция и увеличению пульсаций выходного напряжения. Напряжение на входе генератора 16 увеличивается, соответственно уменьшается время заряда конденсатора 17, время замкнутого и разомкнутого состояния транзистора 1. Частота широтно-импульсного регулирования увеличивается и амплитуда пульсаций сохраняется практически неизменной с точностью ошибки регулирования. Так как амплитуда пульсаций стабилизируется на минимально возможном уровне, свойственном для минимальной нагрузки (минимального напряжения), масса и габариты фильтра получаются минил1альными.

Таким образом, изобретение позволяет достичь поставленной цели, т. е. уменьшить габариты и массу сглаживающего фильтра, что особенно важно в системах электроснабжения asтономных обьектов.

Импульсный параметрический стабилизатор постоянного напряжения. сод2ржащий ключевой транзистор, включенный между входной

7799

Составитель С. Черньпаева

Техред С. Мигунова Корректор Е. Папп

Редактор Н, Коляда

Заказ 9324/14 Тираж 956

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Филиал ППП " Патент ", r. ужгород, ул. Проектная, 4

7 клеммой и дросселем LC0-фильтра, конденсатор которого подключен параллельно выходным клеммам, насыщающийся трап сф орматор, пе рвичная обмотка которого одним выводом подключена к коллектору ключевого транзистора, а другим выводом — к общей шине, а вторичная обмотка одним выводом соединена с базой ключевого транзистора, другим выводом через резистор — с эмиттером этого транзистора и входной клеммой, отличающийся ip тем, что, с целью уменьшения массогабаритных показателей, он снабжен датчиком амплитуды пульсаций, выпрямителем, генератором линейно нарастающего напряжения, сравнивающим элементом, разрядным ключом, двумя диодами, !5 трансформатором, обратным диодом, дополнительной обмоткой дросселя LCD-фильтра и ограничительным резистором, причем датчик амплитуды пульсаций подключен входом к выходным клеммам,"а выходом через выпрями- 29 тель — ко входу генератора линейно нарастаю- щего напряжения, выход которого через первичную обмотку трансформатора, шунтированную обратным диодом, соединен с силовыми электродами разрядного ключа, через сравнивающий элемент — с управляющим электродом этого ключа, а через ограничительный резистор с одним выводом дополнительной обмотки дросселя, другой вывод которой через первый диод подключен к управляющему электроду разрядного ключа, при этом один вывод вторичной обмотки трансформатора через второй диод подключен к базе ключевого транзистора, а другой вывод — к другому выводу вторичной обмотки насыщающегося трансформатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 415649, кл. G Об F 1/56, 1971.

2. Ман В,С. и Лаптев Н.Н. Стабилизирован- ные транзисторные преобразователи. М., "Энергия", 1971, с. 295, рис.8 — 18 а.