Многофазный импульсный стабилизатор постоянного напряжения

 

Сеез Советских

Социалистических

Рвсн убамн

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОИЖОМУ СВ О ИЯЬСТВУ

<„,855639 (61) Дополмительмое к авт. свид-ву— (22) Заявлено 43,.1179 (21) 2843067/24-07 р1)м. кл.з

G 05 F 1/56 с присоединением заявки Ме

ГесуявРствсннмй кев ятет

СССР не дсяви язебрстення н erapanaA (23) Приоритет—

Опубликовано 1.50881, Бюллетень Н9 30

Дата опубликоваммя опмсамия 15,08,81 (53) УДК621. 316.

° 722.1(088.8) (72) Авторы изобретения

l0. М. Любченко и Н. И. Олейник (71) Заявитель (5 4 ) МНОГОФАЗНЫИ ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР

ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быгь использовано в системах электропитания аппаратуры, требующей стабилизированного постоянного напряжения.

Известны импульсные стабилизаторы постоянного напряжения 1 и 2 .

Известны устройства, содержащие ключевой транзистор, сглаживающий СО-фильтр, трансформатор с магнитопроводом иэ материала с прямоугольной, петлей гистерезиса и опорный элемент.

Вторичная обмотка трансформатора соединена с эмиттер-базовым переходом ключевого транзистора. Управление параметрического типа обеспечивает высокое быстродействие и простоту схемы стабилизатора f13 .

Недостаток данных устройств заключается в повьхненной величине амплитудй пульсаций напряжения на его выходе.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, в котором величина амплиту-, ды пульсаций напряжения на выходе стабилизатора значительно уменьшена.

Устройство содержит силовую часть и флок управления. Силовая часть выпол иена,в виде четырех параллельно соединенных ключевых преобраэоватепьных ячеек и представляет собой широко известную схему понижающего однотактного импульсного преобразователя постоянного напряжения. Управление ключевыми транзисторами ячейки обеспечивается измерительным устройством и широтно-импульсным модулятором

16 (ШИМ). Силовая часть ячейки совместно с измерительным устройством и ШИМ образуют компенсационный стабилизатор напряжения. Еоммутация ключевых транзисторов каждой последующей ячейки по отношению к предыдущей осуществляется с временным сдвигом Т/п, где

Т вЂ” период коммутации ключевых транзисторов, и - количество преобразовательных ячеек. Временной сдвиг ра-боты ключевых транзисторов позволяет

2О снизить уровень амплитуды пульсаций выходного напряжения. Импульсы на включении ключевых транзисторов, формируеквяе генератором тактовых импульсов, распределяются распределителем импульсов последовательно на каждую

as преобразовательных ячеек С31 .

Недостатком данного устройства является невысокое быстродействие и

30 относительная сложность схемы блока

855639 управления стабилизатором, присущая ,компенсационному типу управления.

Целью изобретения — упрощение схемы и улучшение динамических свойств стабилизатора.

Поставленная цель достигается тем, что в многофазном импульсном стабилизаторе постоянного напряжения генератор тактовых импульсов и Формирователи ширины импульсов выполнены в виде импульсных параметрических стаби1 лизаторов постоянного тока. включенных по цепям питания параллельно входным клеммам, соединенных с общим опорным элементом и состоящих из линейного дросселя н охваченного положительной обратной связью магнитно- 15 транзисторного каскада с насыщающимся трансформатором, первичная обмотка которого соединена параллельно с обмоткой линейного дросселя и включена последовательно в цепь ключевого Щ транзисторного элемента, первая из вторичных обмоток использована в качестве цепи положительной обратной связи, а вторая является выходной, причем в цепь обратной связи каждого формирователя ширины импульсов введен ключевой прерыватель в виде коммутирующего транзистора, порогового элемента, триггера, диода и двух формирователей коротких импульсов, вход одного из которых подключен к выходу распределителя импульсов, вход другого — через диод к обмотке обратной связи магнитно-транзисторного каскада, а их выходы соединены со входами триггера, подключенного своим выходом З5 через пороговый элемент к управляющей цепи коммутиРующего транзистора.

На Фиг. 1 и 2 представлена принципиальная электрическая схема стабилизатора для четырех ключевых преоб- 4О разовательных ячеек„ на фиг. 3 — временные диаграммы напряжений.

Стабилизатор содержит силовую часть и блок управления. Силовая часть стабилизатора выполнена в ви- 45 де параллельно соединенных ключевых преобразовательных ячеек. Каждая ячейка состоит из ключевых транзисторов

1-4 (для ключевых транзисторов второй, третьей, четвеРтой ячеек соответст- 5Q венно) LCO"Ôèëüòðà с линейным дросселем 5 (6-8 для второй и последукицих ячеек соответственно) и диодом 9 (10l12 для второй и последующих ячеек соответственно), Блок 13 управления включает генератор 14 тактовых импульсов, =распределитель 15 ьупульсов и формирователь 16 ширины импульсов, для упРавления ключевым транзистором первой преобразовательной ячейки (1719 для второй и последукщих ячеек 46 соответственно), опорный элемент 20 н источник 27 вспомогательных напряжений. Генератор 14 тактовых импуль-. сов содержит линейный дроссель 22, обратный диод 23 генератора, магнито- 65 транзисторный каскад (ключевой транзисторный элемент 24, трехобмоточный насыщающийся трансформатор 25 с первичной обмоткой 26 и вторичными обмотками 27 и 28), диод 29 генератора и схему 30 нормализации выходного сигнала, выполненную, напримеР, íà основе ограничителя амплитуды импульса и оптоэлектронного ключа. Распределитель 15 импульсов выполнен, например, на основе Т- или О-триггеров.

Состояние распределителя 15 изменяет ся в момент поступления на его вход очередного тактового импульса.

Формирователи 16-19 ширины импульсов идентичны дгуг другу (на фиг. 2 показана схема лишь одного формиро- вателя 16 ширины импульсов для управления первой преобразовательной ячейкой), Формирователь 16 ширины импульсов содержит линейный дроссель 31, обратный диод 32 формирователя, магнит но-транзисторный каскад (ключевой транзисторный элемент 33 с цепью его эапирания — клеммы 34, 35, и диод 36, и трехобмоточный насыщающийся трансфоРматор 37 с первичной обмоткой 38 и вторичными обмотками 39 и 40, ключевой прерыватель (коммутирующий транзистор 41, триггер 42 с управляющим выходом 43, формирователи 44 и 45 коротких импульсов, пороговый элемент, например, стабилитрон 46, схема 47 нормализации входного сигнала и диод

48 Формирователя). Опорный элемент

20 состоит, например, из стабилитрона 49 и фильтра - конденсатора 50.

Сеть питающего напряжения соединена с положительной 51 и отрицательной

52 клеммами стабилизатора. Силовая часть каждой ключевой преобразовательной ячейки является однотактным импульсным понижающим стабилизатором постоянного напряжения. Генератор 14 задающих импульсов представляет собой однотактный импульсный параметрический стабилизатор постоянного тока, подключенный входом к сети питающего напряжения стабилизатора и нагруженный на опорный элемент 20.

Первичная обмотка 26 насыщающегося трансформатора 26 подключена парал- . лельно к обмотке линейного дросселя

22 и включена последовательно в цепь ключевого транзистора элемента 24, одна из вторичных обмоток 27 подключена через ограничительный резистор к эмиттер-базовому переходу транзистора 24, а вторая — выходная обмотка

28 соединена через диод 29 и схему

30 нормализации выходного сигнала с входом распределителя 15. Формирователи 16-19 ширины импульсов являются также однотактными импульсными параметрическими стабилизаторами постоянного тока, но с разомкнутой цепью по- . ложительной обратной связи. Формирователи ширины импульсов входами подключены к сети питакицего напряжения

855639 и также нагружены на опорный элемент

20. Первичная обмотка 38 насыщающегося трансформатора 37 подключена параллельно к обмотке линейного дросселя 31 и включена последовательно в цепь ключевого транзисторного элемен- 5 эа 33 (например, составного транзис- тора), .вторичная обмотка 40 — выходная обмотка формирователя ширины импульсов соединена через ограничительный резистор с эмиттер-базовым переходом ключевого транзистора 1 преоб10 разовательной ячейки. Вторичная обмотка 39 соединена через диод 48, схему 47 нормализации входного сигнала, и формирователь 44 коротких импульсов с одним из входов триггера I5

42. K входу формирователя 45 коротких импульсов подсоединен один из выходов распределителя 15, а к выходу второй — вход триггера 42. Выход 43 ,триггера 42 подключен через пороговый элемент 46 к управляющим цепям коммутирующего транзистора 41 баэой соединенного с корпусом триггера 42 или с клеммой питания данного триггера) .

Источник 21 вспомогательных напряжений Обеспечивает запирание ключевых транэйсторных элементов формирователей ширины импульсов и питание ехем распределителя 15, триггеров, формирователей коротких импульсов, нормализацию импульсов.

Устройство работает следующим образом.

При подаче питания на вход схемы стабилизатора триггеры формирователей 16-.19 ширины импульсов устанавливаются в состояние, когда на их управляющих выходах (выходе 43 триггера 42 для формирователя 16) напряжение близко к нулю. Коммутирующие 4О транзисторы формирователей 16-19 (транзистор 41 для формирователя 16) закрыты. Ключевые элементы (33 для формирователя первой ячейки) формирователей ширины импульсов закрыты 45 напряжением источника 21 вспомогательных напряжении, прикладываемого к цепям управления транзисторов (клеммам 34 и 35 для транзистора формирователя 16). На выходных обмотках формиРователей йб-19 напряжение отсутствует. Следовательно ключевые транзисторы 1-4 преобразовательных ячеек находятся в закрытом состоянии. В момент подачи напряжения на вход генератора тактовых импульсов током утечки транзистора 24 создается некоторое напряжение на обмотке дросселя 22 и на первичной обмотке 26 трансформатора 25 генератора 14. Транзистор 24 лавинообраз- 40 но открывается напряженнем на обмотке 27 трансформатора 25. Напряжением, приложенным к обмотке дросселя

22 и к обмотке 26 трансформатора 25, магнитопровод этого трансформатора 65 перемагничивается от исходного состояния — В до состояния насыщения

+8 . Транзистор 24 напряжением по5 ложительной обратной связи (напряжением на обмотке 27) переводится в насыщенное состояние. Импульс положительной полярности, снимаемый с выходной обмотки 28, поступает на вход схемы 30, где с целью защиты элементов распределителя 15 ноРмализуется — ограничивается по амплитуде и гальванически развязывается ° При достижении насыщения магннтопровода трансформатора 25, противо-ЭДС, наводимая в обмотке 26 резко уменьшается. Напряжение и ток эмиттео-базового перехода транзистора 24 резко уменьшаются. Транзистор 24 переходит в активный режим. Коллекторный ток (ток дросселя 22) уменьшается, вызывая изменение полярности противо-ЭДС на обмотке дросселя 22 на противоположное. Под действием напряжения обратной связи транзистор 24 переходит в режим глубокой отсечки. Дроссель 22 разряжается на опорный элемент 20 через диод 23. Импульс отрицательной полярности, наводимый на обмотке .28 при закрытом транзисторе. 24, блокируется диодом 29. При достижении насыщения магнитопровода транзистор 24 снова переходит в открытое состояние

Импульс положительной полярности приходит на вход распределителя. В дальнейшем цикл работы генератора тактовых импульсов повторяется. Таким образом, генератор формирует импульсы положительной полярности с периодом повторения

На фиг. 3 представлена временная диаграмма напряжений U на выходе генератора тактовых импульсов. При поступлении с выхода генератора 14 тактовых импульсов на вход распределителя 15 каждого очередного импульса распределитель формирует последовательно на каждом из своих выходов импульс, период Т следования которого в четыре раза (в общем случае в и раэ) больше периода С следования тактовых импульсов. На фиг ° 3 представлены временные диаграюаю напряжений на первом 0, втором 0р третьем Ор и четвертом U>< выходах распределителя 15, т.е. на входах формирователей 16-19. Первый выходной импульс распределителя 15 поступает на вход формирователя 16 ширины импульсов. Формирователь 45 коротких импульсов изменяет длительность импульса, формируя короткий запускающий импульс для управления триггером 42. Импульс переводит триггер

42 в состояние, в котором на выходе

43 триггера 42 появляется напряжение, близкое .к напряжению питания схемы триггера. Это напряжение прикладывается к цепи нагрузки триггера 42 пороговому элементу 4б и эмиттер-ба855639 зовому переходу коммутирующего тран- зистора 41. Стабилитрон 46 пробивает. ся и в управляющей цепи транзистора

41 протекает ток, Транзистор 41 открывается. К эмиттер-базовым цепям; составного транзистора 33 прикладывается отпирающее напряжение, транзистор 33 открывается, По цепи: положительная клемма питающей сети (клемма 51) - эмиттер-коллекторный переход транзистора 33 - линейный дроссель 31-(O опорный элемент 20 - отрицательная клемма питающей сети (клемма 52) протекает ток. К обмотке дросселя 31 и к обмотке 38 трансформатора 37 прикладывается напряжение. Иагнитопровод трансформатора 37 перемагничивается от исходного состояния - В@ до состояния насыщения + 88. Импульс отрицательной полярности на обмотке 39 блокируется диодом 48. Прямоугольный импульс положительноый полярности 20 положительной полярности на выходной обмотке 40 формирователя 16 открывает ключевой транзистор 1 преобразовательной ячейки. Ток питающей сети протекает по цепи: клемма 51 - коллек- g5 тор-эмиттерный переход транзистора 1линейный дроссель 5 фильтра — нагрузка — клемма 52. При достижении насыщения магнитопровода трансформатора

37 противо-ЭДС наводимая в обмотке ЗО

38, резко уменьшается, что вызывает скачкообразное увеличение тока первичной обмотки 39 трансформатора и уменьшение тока, протекающего через обмотки дросселя 31. ЭДС, наводимая в обмотке дросселя 31, в обмотках 38 и 39 трансформатора изменяет свою полярность.. Импульс напряжения с обмотки 39, нормированный схемой 47 и укороченный формирователем 44 коротких импульсов, поступает на вход тригге- 40 ра 42 и переводит его в исходное состояние. Ток, протекающий через эмиттер-базовый переход транзистора 41, уменьшается до нуля (остаточное напряжение на выходе триггера 42 мень- 45 ше напряжения пробок стабилитрона 46)

Транзистор 41 и составной транзистор

33 закрываются. Ток дросселя 31 замыкается через опорный элемент 20 и диод 32. Иагнитоправод трансформато- 5g ра 37 перемагничивается в исходное состояние. В мОмент изменения полярности противо-ЭДС линейного дросселя изменяется и полярность импульса напряжения выходной обмотки 40. Тран- 5 эистар 1 закрывается, Дроссель 5 разряжа*ся на нагрузку через открывшийся диод 9. Очередной импульс формирователя 16 переводит триггер 42 в противоположное состояние, открывая транзистор 41. Цикл работы формирова- 60 теля 16 повторяется. Временные диаграммы напряжения Одр на обмотке дросселя 31 и напряжение О цщ на выходной обмотке 40 трансформатора 37 представлены на фиг. 2.

Второй импульс положительной по лярности, формируемый генератором 14 тактовых импульсов, поступает на распределитель 15, а через него на вход

;формирователя 17 ширины импульсов.

Процессы в формирователе 17 повторяют процессы в формирователе 16. Таким образом, ключевой транзистор 2 второй ячейки коммутируется с фаэовым сдвигом ь относительно времени коммутации транзистора 1. Третий положи1 тельный импульс генератора 14 импульсов вызывает включение транзистора 3 через период времени и после включения транзистора 2. Четвертый положительный импульс вызывает включение транзистора 4 через период времени и после включения транзистора 3. через период времени 4 ь после первого импульса положительной полярности пятый импульс снова поступает на формирователь 16 и цикл работы всего устройства повторяется. На фиг. 3 представлены временные диаграммы напряжения Оф „„ на выходе формирователя 17 напряжения Офшд — на выходе формиро-вателя 18, напряжения 0,1,д — на выходе формирователя 19. Схема обеспечивает как стабилизацию напряжения на выходе каждой ключевой преобразовательной ячейки и стабилизатора, так и фазовый сдвиг периода коммутации ключевых транзисторов ячеек.

Действительно, время замкнутого и разомкнутого состояния транзистора генератора тактовых импульсов, который представляет собой импульсный параметрический стабилизатор тока, нагруженный на опорный элемент, определяется временем перемагничивания магнитопровода.

При обычном допущении, что падение напряжения на открытом эмиттер-коллекторном переходе ключевого транзистора 24 генератора 14 близко к нулю,, время замкнутого состояния определяется параметрами трансформатора 25 и величинами питающего 0> и опорного . U „ напряжения и равно

t 2Üb

un- uon где 8g — индукция насыщения,материала магнитопровода трансформатора 25;

5 — площадь поперечного сечения магнитопровода; — количество витков обмотки

26 трансформатора 25.

При обычном допущении, что падение напряжения на диоде 23 в прямом направлении близко нулю, время разомкнутого состояния транзистора аЬ 5%I

С

P О,„

Период коммутации при этом п

u=t, ФС Ф95659J U П,о f рп !

855639 а коэффициент заполнения импульса

t t>

Связь между питающим и выходным напряжением в однотактных стабилизаторах понижающего типа определяется выражением (2) Оьр, Оп

Стабилизация напряжения на выходе

10 каждой ячейки достигается за счет того, что ключевые транзисторы каждой преобразовательной ячейки коммутируются о той же скважностью, что и транзистор генератора тактовых им- 35 пульсов. При этом как следует из выражения (2) при подстановке равенства

Ъых. "on о

Работа как генератора тактовых импульсов, так и формирователей ширины импульсов на один н тот же оиорный элемент, кроме того, обеспечивает симметрию момента закрытия ключе- О вых транзисторов всех преобразовательных ячеек. Таким образом, каждая преобразовательная ячейка в совокупности с генератором тактовых импульсов, формирователем ширины импульсов, с щ общим для всех ячеек опорным элемен- том образуют единое устройство - параметрический стабилизатор напряжеиияэ

В свою очередь, равенство коэффициентов заполнения достигается тем, что время t u tp перемагничивания ! I из одного состояния в другое и период зя

Т перемагничивания магнитопровода трансформаторов формирователей шириО ны импульсов пропорциональны времени и периоду перемагничивания магнитопровода трансформатора генератора 30 тактовых импульсов. При одном и том же материале, т. е. при одной и той

:- же величине индукции насыщения В6, это обеспечивается увеличением поперечного сечения магнитопровода трансформаторов формирователей ширины импульсов или, количества витков первичной обмотки в и раэ по сравнению с соответствующими параметрами трансформатора генератора тактовых импульсов. 46

Один и тот же фазовый сдвиг ь . = Т/и коммутации транзисторов преобразовательных ячеек обеспечивается работой генератора тактовых импульсов и формирователей ширины импульсов ® на. один и тот же опорный элемент и примене нием управляемой положительной "обратной связи в формирователях ширины импульсов.

Формула изобретения

Многофазный импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий силовую цеп, выполненную в виде

М параллельно соединенных ключевых преобразовательных ячеек, каждая из которых состоит из ключевого транзистора и LCD-фильтра, и блок управления, состоящий из генератора тактовых импульсов, распределителя импульсов с и выходами, и формирователей ширины импульсов, опоенного элемента, источника вспомогательных напряжений, при этом распределитель импульсов входом подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выходом — к управлянзцим цепям формирователей ширины импульсов, а выход каждого из форми- . рователей ширины импульсов соединен с управлянхцей цепью ключевого транзистора преобразовательной ячейки, о т л ич а юшийся тем, что, с целью упроще ния схемы и улучшения динамических свойств стабилизатора, генератор тактовых импулвсов и формирователи ширины импульсов выполнены в виде импульсных параметрических стабилизаторов постоянного тока, включенных по цепям питания параллельно входным клеммам, соединенных с общим опорным элементом и состоящих иэ линейного дросселя и охваченного положительной обратной связью магнитно-транзисторного каскада с насыщающимся трансформатором, первичная обмотка которого подключе на параллельно обмотке линейного дросселя и включена последовательно в цепь ключевого транзисторного элемента, первая из вторичных обмоток использована в качестве цепи положительной обратной связи, а вторая является выходной, причем в цепь обратной связи каждого формирователя ширины импульсов введен ключевой прерыватель, выполненный s виде коммутирующего транзистора, порогового элемента, триггера, диода и двух формирователей коротких импульсов, вход одного из которых подключен к одному из выходов распределителя импульсов, вход другого - через диод к обмотке обратной связ.а магнитно-транзисторного каскада, а их выходы соединены со входами триггера, подключенного своим выходом через пороговый элемент к управляющей цепи коммутирующего транзистора.

Источники информации, принятые во внимание арй экспертизе

1. Моин В. С., Лаптев Н. П. Стабилизированные транзисторные преобразователи. N. "Энергия", 1972, с. 295, рис. 8-18.

2. Авторское свидетельство СССР

9 327462, кл. G 05 f 1/56, 1968.

3. Электройная техника в автомати-. ке. Под ред. Ю.И. Конева. M. "Советское радио", вып. 10, 1978, с ° 107113, рис. 1, 2.

855639 pr

>y eel

Составитель Е. -Финогенов

Редактор Н. Минко ТехредМ.Табакович Корректор М. Поко

Тирам 940 Подписное

SHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, М-35, Раувискан наб., д. 4/5

Заказ 6907/68

Филиал ППП "Патент", r. Улгород, ул. Проектнай, 4