PL226144B1 - Impulsowa przetwornica dlawikowa - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest impulsowa przetwornica dławikowa, przeznaczona do zasilania układów elektronicznych, w których wymagana jest wysokosprawna konwersja poziomów napięć zasilających, w tym do układów przetwornic DC-DC kontrolerów ładowania akumulatorów w systemach alternatywnych źródeł energii elektrycznej.

W znanej z artykułu Marasco K.: „How to Apply DC-to-DC Step-Down (Buck) Regulators Successfully”, Analog Dialogue 45-06 Back Burner, www.analog.com/analogdialogue, czerwiec 2011, str. 2, rys. 3, przetwornicy, biegun dodatni baterii stanowiący wejście dodatnie układu połączony jest z katodą kondensatora pierwszego i z drenem tranzystora pierwszego, którego źródło połączone jest z końcówką pierwszą cewki i drenem tranzystora drugiego. Wyjścia sterujące układu sterownika: pierwsze i drugie połączone są odpowiednio z bramkami tranzystorów: pierwszego i drugiego. Biegun ujemny baterii, stanowiący wejście ujemne układu, anoda kondensatora pierwszego, źródło tranzystora drugiego, anoda kondensatora drugiego i końcówka druga obciążenia, stanowiąca wyjście ujemne układu, połączone są z poziomem odniesienia. Końcówka druga cewki połączona jest z katodą kondensatora drugiego, wejściem komparatora układu sterownika i z końcówką pierwszą obciążenia, stanowiącą wyjście dodatnie układu.

Sprawność znanej impulsowej przetwornicy dławikowej znacząco maleje przy dużych wartościach stosunków napięć wejściowych do wyjściowych. W wyniku przełączania prądów często o znacznej wartości, układ generuje znaczne zakłócenia elektromagnetyczne o szerokim spektrum częstotliwości, co utrudnia aplikację przetwornicy do zasilania wrażliwych odbiorników energii elektrycznej.

Istota impulsowej przetwornicy dławikowej według wynalazku polega na tym, że wejście dodatnie połączone jest z anodą diody prostowniczej pierwszej, której katoda połączona jest z katodą diody prostowniczej drugiej, z drenem tranzystora pierwszego i z katodą kondensatora pierwszego. Wejście ujemne połączone jest z anodą kondensatora pierwszego, ze źródłem tranzystora drugiego i z anodą diody prostowniczej trzeciej, której katoda połączona jest z końcówką pierwszą cewki pierwszej i ze źródłem tranzystora pierwszego. Końcówka druga cewki pierwszej połączona jest z katodą kondensatora drugiego i z anodą diody prostowniczej drugiej. Dren tranzystora drugiego połączony jest z poziomem odniesienia. Wyjścia sterujące sterownika mikroprocesorowego: pierwsze i drugie połączone są odpowiednio z bramkami tranzystorów: pierwszego i drugiego. Korzystnie jest, gdy pojemność kondensatora drugiego wynosi 1-100 nF.

Sprawność przetwarzania energii przez impulsową przetwornicę dławikową według wynalazku jest wysoka i nie zależy od stosunku napięcia wejściowego do wyjściowego, dzięki zastosowaniu dodatkowego kondensatora o niewielkiej pojemności pełniącego funkcję tymczasowego akumulatora energii. Wartość wypełnienia przebiegu regulacyjnego sterującego kluczami tranzystorów może być regulowana w szerokim zakresie poprzez dobór pojemności kondensatora pełniącego funkcję tymczasowego akumulatora energii. W konsekwencji spektrum zakłóceń emitowanych do środowiska elektromagnetycznego jest znacznie ograniczone oraz zwiększa się sprawność przetwarzania energii. Ponadto układ eliminuje zakłócenia pochodzące z rozłączania obwodu prądowego, dzięki pełnemu ładowaniu i rozładowywaniu dodatkowego kondensatora o niewielkiej pojemności, w każdym cyklu pracy układu.

Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania, uwidoczniony jest na rysunku przedstawiającym schemat ideowy impulsowej przetwornicy dławikowej.

Wejście dodatnie We+ połączone jest z anodą diody prostowniczej pierwszej D1, której katoda połączona jest z katodą diody prostowniczej drugiej D2, z drenem tranzystora pierwszego T1 i z katodą kondensatora pierwszego C1. Wejście ujemne We- połączone jest z anodą kondensatora pierwszego C1, ze źródłem tranzystora drugiego T2 i z anodą diody prostowniczej trzeciej D3, której katoda połączona jest z końcówką pierwszą cewki pierwszej L1 i ze źródłem tranzystora pierwszego T1. Końcówka druga cewki pierwszej L1 połączona jest z katodą kondensatora drugiego C2, z anodą diody prostowniczej drugiej D2 i z drenem tranzystora trzeciego T3, którego źródło połączone jest z końcówką pierwszą cewki drugiej L2 i z drenem tranzystora czwartego T4. Wyjścia sterujące sterownika mikroprocesorowego St: pierwsze S1, drugie S2, trzecie S3 i czwarte S4 połączone są odpowiednio z bramkami tranzystorów: pierwszego T1, drugiego T2, trzeciego T3 i czwartego T4. Dren tranzystora drugiego T2, anoda kondensatora drugiego C2, źródło tranzystora czwartego T4, anoda kondensatora trzeciego C3, poziom odniesienia sterownika mikroprocesorowego St i wyjście ujemne Wy- impulsoPL 226 144 B1 wej przetwornicy dławikowej według wynalazku połączone są z poziomem odniesienia. Końcówka druga cewki drugiej L2 połączona jest z katodą kondensatora trzeciego C3, z wejściem nieodwracającym komparatora sterownika mikroprocesorowego St i z wyjściem dodatnim Wy+ impulsowej przetwornicy dławikowej według wynalazku.

Zasilające napięcie dodatnie podawane jest na wejście dodatnie We+, a zasilające napięcie ujemne podawane jest na wejście ujemne We-. Różnica potencjałów na wejściach impulsowej przetwornicy dławikowej według wynalazku polaryzuje diodę prostowniczą pierwszą D1 w kierunku przewodzenia, powodując przepływ prądu od wejścia dodatniego We+ przez diodę prostowniczą pierwszą D1 i kondensator pierwszy C1 do wejścia ujemnego We-. Przepływ prądu przez kondensator pierwszy C1 powoduje jego ładowanie.

W pierwszej fazie działania układu według wynalazku, sterownik mikroprocesorowy St ustawia stan logiczny wysoki napięcia na wyjściach sterujących: pierwszym S1, drugim S2 i czwartym S4, co powoduje polaryzację dodatnią bramek tranzystorów: pierwszego T1, drugiego T2 i czwartego T4 względem ich źródeł. Dodatnia polaryzacja bramek tranzystorów: pierwszego T1, drugiego T2 i czwartego T4 względem ich źródeł powoduje ich włączenie. Natomiast na wyjściu sterującym trzecim S3, sterownik mikroprocesorowy St ustawia stan logiczny niski napięcia, co powoduje odpływ ładunku elektrycznego z bramki tranzystora trzeciego T3. Brak polaryzacji bramki tranzystora trzeciego T3 względem jego źródła powoduje jego włączenie. W fazie pierwszej prąd z katody kondensatora pierwszego C1 płynie przez dren tranzystora pierwszego T1 do jego źródła, przez cewkę pierwszą L1 i przez kondensator drugi C2 do drenu tranzystora drugiego T2, a stąd do jego źródła, z którego wpływa do anody kondensatora pierwszego C1. Przepływ prądu przez cewkę pierwszą L1 powoduje zmagazynowanie w niej energii w jej polu magnetycznym. Przepływ prądu przez kondensator pierwszy C1 powoduje jego ładowanie. W fazie pierwszej energia zmagazynowana w polu magnetycznym cewki drugiej L2, indukuje na jej zaciskach siłę elektromotoryczną powodującą przepływ prądu z końcówki drugiej cewki drugiej L2 przez kondensator trzeci C3 do źródła tranzystora czwartego T4, a stąd do jego drenu i do końcówki pierwszej cewki drugiej L2. Przepływ prądu przez kondensator trzeci C3 powoduje jego ładowanie.

W drugiej fazie działania impulsowej przetwornicy dławikowej według wynalazku sterownik mikroprocesorowy St ustawia stan logiczny niski napięcia na wyjściach sterujących: pierwszym S1, drugim S2 i czwartym S4, co powoduje odpływ ładunku elektrycznego z bramek tranzystorów: pierwszego T1, drugiego T2 i czwartego T4. Brak polaryzacji bramek tranzystorów: pierwszego T1, drugiego T2 i czwartego T4 względem ich źródeł powoduje ich włączenie. W drugiej fazie działania, sterownik mikroprocesorowy St ustawia stan logiczny wysoki napięcia na wyjściu sterującym trzecim S3, co powoduje polaryzację dodatnią bramki tranzystora trzeciego T3 względem jego źródła. Dodatnia polaryzacja bramki tranzystora trzeciego T3 względem jego źródła powoduje jego włączenie. W fazie drugiej prąd z katody kondensatora drugiego C2 płynie przez dren tranzystora trzeciego T3 do jego źródła, przez cewkę drugą L2, przez kondensator trzeci C3, do anody kondensatora drugiego C2. Przepływ prądu przez cewkę drugą L2 powoduje zmagazynowanie w niej energii w jej polu magnetycznym. Przepływ prądu przez kondensator trzeci C3 powoduje jego ładowanie. W fazie drugiej energia zmagazynowana w polu magnetycznym cewki pierwszej L1 indukuje na jej zaciskach siłę elektromotoryczną powodującą przepływ prądu z końcówki drugiej cewki pierwszej L1, przez spolaryzowaną w kierunku przewodzenia diodę prostowniczą drugą D2, przez kondensator pierwszy C1, spolaryzowaną w kierunku przewodzenia diodę prostowniczą trzecią D3 do końcówki pierwszej cewki pierwszej L1. Przepływ prądu przez kondensator pierwszy C1 powoduje jego ładowanie.

W kolejnym cyklu pracy, impulsowa przetwornica dławikowa według wynalazku przechodzi do fazy pierwszej. Czas trwania następujących po sobie faz działania układu według wynalazku ustalany jest przez sterownik mikroprocesorowy St, na podstawie porównań napięcia z wejścia nieodwracającego komparatora sterownika mikroprocesorowego St, połączonego z katodą kondensatora trzeciego C3, z zadanym napięciem referencyjnym. Przekroczenie ustalonej wartości napięcia na kondensatorze trzecim C3 powoduje skracanie czasu trwania fazy drugiej działania impulsowej przetwornicy dławikowej. Stosunek czasów trwania fazy pierwszej do czasu trwania fazy drugiej cyklu pracy oraz wartość pojemności kondensatora drugiego C2 decydują o stosunku wartości napięcia wejściowego do wartości napięcia wyjściowego impulsowej przetwornicy dławikowej.

Claims (2)

1. Impulsowa przetwornica dławikowa, w której katoda kondensatora drugiego połączona jest z drenem tranzystora trzeciego, a źródło tranzystora trzeciego połączone jest z końcówką pierwszą cewki drugiej i z drenem tranzystora czwartego, wyjścia sterujące sterownika mikroprocesorowego: trzecie i czwarte połączone są odpowiednio z bramkami tranzystorów: trzeciego i czwartego, a anoda kondensatora drugiego, źródło tranzystora czwartego, anoda kondensatora trzeciego i wyjście ujemne połączone są z poziomem odniesienia, zaś końcówka druga cewki drugiej połączona jest z katodą kondensatora trzeciego, z wejściem nieodwracającym komparatora sterownika mikroprocesorowego i z wyjściem dodatnim, znamienna tym, że wejście dodatnie (We+) połączone jest z anodą diody prostowniczej pierwszej (D1), której katoda połączona jest z katodą diody prostowniczej drugiej (D2), z drenem tranzystora pierwszego (T1) i z katodą kondensatora pierwszego (C1), a wejście ujemne (We-) połączone jest z anodą kondensatora pierwszego (C1), ze źródłem tranzystora drugiego (T2) i z anodą diody prostowniczej trzeciej (D3), której katoda połączona jest z końcówką pierwszą cewki pierwszej (L1) i ze źródłem tranzystora pierwszego (T1), zaś końcówka druga cewki pierwszej (L1) połączona jest z katodą kondensatora drugiego (C2) i z anodą diody prostowniczej drugiej (D2), przy czym dren tranzystora drugiego (T2) połączony jest z poziomem odniesienia, a wyjścia sterujące sterownika mikroprocesorowego (St): pierwsze (S1) i drugie (S2) połączone są odpowiednio z bramkami tranzystorów: pierwszego (T1) i drugiego (T2).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pojemność kondensatora drugiego (C2) wynosi