SU892425A1 - Стабилизированный конвертор - Google Patents

Description

(54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ КОНВЕРТОР

Изобретение относитс  к электротехнике , в частности к вторичным источникам питани  электронной аппаратуры . Известен преобразователь-стабили- затор напр жени , содержащий задающий генератор, трансформаторный двух тактный усилитель мощности с транзисторами , соединенными по цепи управлени  с задающим генератором через входной трансформатор, широтноимпульсный модул тор, работающий на двойной частоте задающего генератора выходной выпр митель и короткозамыкатель , соединенный по входу с ШИМмодул тором , а по выходу - с обмоткой входного трансформатора 1. Однако такой преобразователь-ста билизатор имеет увеличение габарито за счет большего количества намо.точ ных изделий. Известен ключевой стабилизатор посто нного напр жени , содержащий основной и дополнительный ключевые элементы, подключенные к распредели тельному узлу и, через последовател но соединенные DL и DL С-фильтры и датчик тока, св занный с одной стор ны через пороговый блок, а с другой через сравнивающий элемент, усилитель и ШИМ-преобразователь, с распределительным узлом, - к выходному выводу позвол ющий обеспечить режим непрерывного тока в дросселе фильтра и уменьшить суммарные габариты и вес обоих дросселей при больших изменени х тока нагрузки 2. Однако при малых изменени х тока нагрузки этот стабилизатор имеет увеличенные габариты за счет дополнительного дроссел . Кроме того, устройство не обеспечивает гальванической разв зки между питающим и выходным напр жением. Известно устройство дл  питани  радиоаппаратуры, содержащее последовательный регулирующий транзистор, выходной DL С-фильтр, выходом подключенный к статическому преобразо-. вателю напр жени , св занному со схемой управлени  модулирукицим транзистором . Это устройство облгщает высоким КПД и позвол ет получить гальванически разв занные с первичным источником стабилизированные выходные напр жени  дл  питани  электронной аппаратуры 3. Работа основных транзисторов устройства в ключевом режиме позвол ет снизить рассеиваемую на них мощность

и уменьшить габариты, однако наличие посто нной составл ющей тока в дросселе и ограничени  по максимально возможной частоте преобразовани , вызванное падением КПД статического преобразовател , работающего в автогенераторном режиме, преп тствуют снижению габаритов дроссел  и трансформатора и, как следствие, микроминиатюризации всего устройства в целом.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  двухканатный стабилизированный преобразователь , содержащий конденсатор фильтра, выходной трансформатор, вторичные обмотки которого через выпр мители подключены к выходньм выводам , а средн   точка первичной обмотки подключена к одному из входных выводов, причем другой входной вывод подключен к двум параллельно соединенным цеп м, кажда  из которых содержит соединенные последовательно полуобмотку дроссел  и шунтированный диодом силовой ключ, управл ющий электрод каждого из которых подключен к блоку управлени , включающему в себ  компаратор, один вход которого подключен к управл ющему входному выводу, другой - к выходу измерительного органа, а по входу св занному с одними из входов элементов совпадени , другие входы которых подсоединены соответственно к парафазным выходам триггера, причем выходы этих элементов подключены к первым двум выходам блока управлени  В известном устройстве построение схемы управлени  инвертором обеспечивает непрерывность передачи тока в нагрузку на вторичной стороне трансформатора при неизменной треугольной борме передаваемого тока, причем за счет фиксации амплитуды тока, отбираемой от источника питани , осуществл етс  стабилизаци  среднего значени  тока, передаваемого в нагрузку, и одновременна  автомтическа  защита инвертора от перегрузок по току. Плавный характер нарастани  тока через силовые управл емые ключи обеспечивают сокргицение коммутационных потерь, а устранение посто нного подмагничивани  дроссел  позвол ет уменьшить его массо-габари±ные характеристики 4.

( Недостатком известного инвертора    ютс  увеличенные габариты трансформатора и конденсатора фильтра, а также повышенна  пульсаци  выходного напр жени , из-за чего в р де случаев требуетс  установка дополнительных фильтров, привод ща  к дополнительному увеличению габаритов инвертора. Увеличение габаритов трансформатора и элементов фильтра в известном устройстве вызвано необходимостью передачи в нагрузку, имеющую емкостной характер, тока, измен ющегос  по треугольному закону , при этом пульсации н апр жени  на нагрузке должны быть незначительными . Традиционный способ сокращени  габаритов трансформатора и дроссел  фильтра за счет повьлиени  рабочей частоты инвертора дл  известного устройства не может дать полного положительного эффекта, так как с ростом частоты снижаетс  значение предельно допустимой реакционной мощности и количество типов конденсаторов , которые могут быть использованы в фильтрах, а также увеличиваютс  искажени , вносимые трансформатором .

Цель изобретени  - уменьшение массо-габаритных характеристик устройства .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство введены два других силовых транзисторных ключа, управл ющие переходы которых, зашунтированные диодами, подключены к дополнительным выводам блока управлени  , а силовые переходы подключены между выводами начала и конца первичной обмотки трансформатора и средней точкой соединени  полуобмоток дроссел , св занной через конденсатор фильтра с одним из входных выводов , а через параллельно включенные введенные резистор и конденсатор - с катодами двух введенных диодов , аноды которых подключены к коллекторам введенных силовых транзисторов .

Блок управлени  может быть выполнен в виде задающего генератора, соединенного со входами ШИМа и триггера , пр мой и инверстный выходы которого подключены к базам п-р-п транзисторов первой дифференциальной пары, эмиттеры которых через резистор соединены с другим входным выводом и с первым выходом ШИМа, второй выход которого подсоединен ко входам элементов совпадени , а управл ющий вход соединен через резистор с одним из входных выводов и непосредственно с коллектором одного из р-п-р транзисторов компаратора , выполненного по схеме дифференциального усилител , вход которого подключен к средней точке резистивного делител , а эмиттер, через резистор , - к этому же входному выводу и непосредственно к эмиттеру второго транзистораJ вход которого через стабилитрон соединен с одним из входных выводов, через резистор с его коллектором резистивным делителем и третьим выводом блока, и непосредственно с базой одного из р-птранзисторов второй дифференциальной пары, Э1 иттеры которых через резистор соединены с одним из входных выводов, коллекторы попарно объединены с коллекторами транзисторов первой дифференциальной пары и подключены к дополнительным выходам блока, а база второго р-п-р транзистора пары соединена через диод с базой первого р-п-р транзистора и непосредственно с коллектором п-р-п транзистора , база которого подключена к пр мому выходу триггера, а эмиттер через резистор подсоединен к первому выходу ШИМа.

На фиг. 1 представлена электрическа  принципиальна  схема устройства; на фиг. 2 - то же, с вариантом мостового включени  дроссел ; на фиг. 3 - электрическа  принципигшьна  схема блока управлени .

Устройство содержит блок 1 управлени , выходы а и б которого подключены к базам п-р-п транзисторов силовых ключей 2 и 3, коллекторы которых через диоды 4 и 5 подключены к одному из входных выводов и непосредственно к одним из концов полуобмоток дроссел  6, другие объединенные концы которых подключены к эмиттерам двух других транзисторных силовых п-р-п ключей 7 и 8, одному выводу конденсатора фильтра 9, и вывод питани  в блока 1 управлени , выходы гид которого подключены, соответственно к зашунтированным диодами 10 и 11, базам транзисторных ключей 7 и 8, коллекторы которых через анодкатод диодов 12 и 13 подключены к параллельно соединенным конденсатору 14 и резистору 15, и другому входному выводу через полуобмотки трансформатора 16, вторичные обмотки которого через выпр мители 17 подключены к выходным выводам 18 устройства.

Вариант выполнени  устройства (фиг. 2) аналогичен первому с тем отличием, что выводы начала и конца дроссел  6 подключены к коллекторам первых силовых транзисторных ключей 2 и 3 и коллекторам дополнительных силовых ключей 19 и 20 обратной p-nпроводимости , база-эмиттерные переходы которых шунтируют база-эмиттерные переходы вторых силовых транзисторных п-р-п ключей 7 и 8.

Кроме того, блок управлени  содержит задающий генератор 21(фиг.3) соединенный со входами ШИМ-преобразовател  22 и триггера 23, пр мой и инверсный выходы которого подключены к базам п-р-п транзисторов 24 и 25 первой дифференциальной пары, эмиттеры которых через резистор 26 св заны с входным выводом, и соответственно - к выходам а и б блока через два элемента 2И-НЕ 27, другие два входа которых подключены к выходу ШИМ-преобразовател  22, управл ющий вход которого соединен через резистор 28 с одним входным выводом и непосредственно с коллектором одного из р-п-р транзисторов 29 дифференциального усилител , играющего роль компаратора. База транзистора подключена к средней точке резистивного делител  30,  вл ющегос  измерительным органом, а эмиттер через токовый резистор 31 - к одному входному выводу и непосредственно к эмиттеру второго транзистора 32, база которого через анод-катод стабилитрона 33, задающего эталонное управл ющее напр жение, соединена с одним входным выводом, а через резистор 34 - с его коллектором, резистивным делителем 30 и выводом питани  блока и непосредственно с базой одного и р-п-р транзисторов 35 второй дифференциальной пары, эмиттеры которых через резистор 36 соединены с одним входным выводом, коллекторы попарно объединены с коллекторами транзисторов 24 и 25 и подключены к выходам гид блока, а база транзистора 37 соединена через катоданод диода 38 с базой транзистора 35 и непосредственно с коллектором п-р-п транзистора 39, база которого подключена к пр мому выходу триггера 23, а эмиттер через резистор 40 - к другому входному выводу, соединенному с общей шиной ШИМ-преобразовател  22.

Устройство работает следующим образом .

Широтно-модулированные импульсы, по вл ющиес  поочередно на выходах а и б блока 1 управлени , открывают поочередно транзисторные силовые ключи 2 и 3 на врем , соответствующее длительности импульса. При эт9м происходит нарастание тока в соответствующей полуобмотке дроссел  6. При закрывании ключа энерги , запасенна  в дросселе, обеспечивает поддержание в этой полуобмотке тока, протекающего через диод 4 и 5 в том же направлении, величина которого линейно убывает по мере расходовани  энергии, запасенной в дросселе. В следующую половину периода работы происходит нарастание тока в другой полуобмотке дроссел  при открывании другого силового ключа и спад его, когда силовой транзистор закрыт. Скорость нарастани  и спада тока в обмотке дроссел  определ етс  его индуктивностью и величиной напр жени , приложенного к его выводам, в св зи с чем в устройстве при неизменной частоте переключени  силовых ключей максимальное значение тока, протекающего через обмотку дроссел  не превьааает выбранных значений. Таким образом,обеспечиваетс  автоматическа  згицита инвертора от перегрузок по току без введени  какихлибо дополнительных цепей защиты.

Изменением времени отк хлвани  силовых цепей можно регулировать максимальное и среднее значение тока , протекающего через обмотки дроссел  и конденсатор фильтра 9. Треугольные импульсы тока обеспечивают зар д конденсатора фильтра 9 до напр жени , соответствующего установленному значению. При этом в блоке управлени  часть напр жени  конденсатора фильтра 9, снимаема  с резистивного делител  30, сравниваетс  с помощью дифференциального усилител  на транзисторах 29 и 32 с эталонным напр жением на стабилитроне 33. В зависимости от результата сравнени  измен етс  выходной ток дифференциального усилител , который управл ет длительностью выходного импульса ШИМ-преобразовател  22, который с помощью триггера 23 и элементов 2И-НЕ 27 поочередно поступает на выходы а и б блока 1 управлени . Частота переключени  определ етс  частотой работы задающего генератора 21 а длительность включающего ШИМ-сигнала регулируетс  таким образом, что обеспечиваетс  автоматическое поддержание напр жени  на конденсаторе фильтра 9 в заданных пределах

Противофазные сигналы с выходов триггера 23 поступают непосредственн на базы токозадающих транзисторов 24 и 25 первой дифференциальной пары, а через токовый переключатель на транзисторе 39 и резисторе 40 - на базы токозадающих транзисторов 35 и 37, где фиксируютс  с точностью напр жени , падающего на диоде 38 на уровне напр жени  на стабилитроне 33

Сигнал с выходов триггера обеспечивают включение одного из транзисторов первой дифференциальной пары и противофазное включение транзисторов второй дифференциальной пар Коллекторные токи транзисторов обоих дифференциальных пар выбираютс  с помощью резисторов 26 и 36 равными и достаточными дл  полного поочередного открывани  вторых транзисторных силовых ключей 7 или 8 устройства и соответствующего поочередного подключени  к конденсатору фильтра 9 половины первичной обмотки трансформатора 16. Выводы начала и конца первичной обмотки трансформатора через диоды 12 и 13 подключены к параллельной КС-цепочке 14 и 15, посто нна  времени которой выбираетс - много меньше длительности период а переключени , что позвол ет устранить выбросы напр жени  на коллектсурах транзисторов силовых ключей 7 и 8.

Дифференциальное, токовое переключение силовых транзисторов усилител  мощности позвол ет свести к минимуму врем  их включени  и выключени , уменьшить потери мощности на переключение и получить практически пр моугольную форму напр жени  на вторичных обмотках трансформатора,

что обеспечивает получение посто нного напр жени  на выходе выпр мител  при отсутствии конденсатора фильтра или при малых значени х его, когда врем  переключени  транзисторов становитс  соизмеримым с периодо переключени .

В предлагаемом конверторе величина емкости конденсатора фильтра 9 в 2-4 раза меньше, чем в известном, так как она выбираетс  и-з таких же расчетных соотношений, и практически ее значение обратно пропорционально величине посто нного напр жени  на нем.

Строгое равенство полупериодов переключени  ключевых, усилител  мощности и переключающих ШИП-стабилизатора , транзисторов обеспечивает симметрию работ последних и способствует более удовлетворительной работе дроссел  и трансформатора на высоких частотах.

Таким образом, использование предлагаемого изобретени  позвол ет умен шить объем, занимаеьфлй наиболее габаритными элементами устройстваJ дросселем и трансформатором, уменьшить их линейные размеры, что обеспечивает возможность разработки устройства в микроминиатюрном исполнении с улучшенньгми моногабаритными характеристика1 /1И .

Введение дифференциальных транзисторных пар позвол ет осуществить переключение мощных ключевых и переключающих транзисторов ограниченными токами базы, свести до минимума врем  и повысить частоту переключени , снизить массогабаритные пока-затели намоточных изделий и фильтрующих конденсаторов.

Claims (4)

1.Стабилизированный конвертор,содержащий конденсатор фильтра, выходной трансформатор, вторичные обмотки которого через выпр мители подключены к выходным выводам, а средн   точка перви«1ной обмотки подключена к одному из входных выводов, причем другой входной вывод подключен к дву параллельно соединенным цеп м, кажда  из которых содержит соединенные последовательно полуобмотку дроссел  и шунтированный диодом силовой ключ, управл ющий электрод каждого из которых подключен к блоку управлени , включающему в себ  компаратор один вход которого подключен к управл ющему входному выводу, другой - к выходу измерительного органа, а выход св зан с одним из входов элементов совпадени , другие входы которых пo ;coeдинeны соответственно к парафазным выходам триггера, причем выходы элементов подключены к первым двум выходам блока управлени ,

отличающийс  тем,что, с целью улучшени  массо-габаритных покзателей , в него введены два других силовых транзисторных ключа, управл ющие переходы которых, шунтированные диодами, подключены к дополнительным выводам блока управлени , а силовые переходы включены между крайними выводами первичной обмотки трансформатора и средней точкой соединени  полуобмоток дроссел , св занной через конденсатор фильтра с одним из входных выводов, а через параллельно включенные введенные резистор и конденсатор - с катодами двух введенных диодов, аноды которых подключены к коллекторам введенных транзисторов .

2. Стабилизированный конвертор по п. 1, отличающийс  тем, что блок управлени  выполнен в виде задающего генератора, соединенного со входами ШИМа и триггера, пр мой и инверсный выходы которого подключены к базам п-р-п транзисторов первой дифференциальной пары, эмиттеры которих через резистор соединены с другим входным выводом и с первым выходом ШИМа, второй выход которого подсоединен ко входам элементов совпадени , а управл ющий вход соединен через резистор с одним из входных выводов и непосредственно с коллектором одного из р-п-р транзисторов компаратора, выполненного по схеме дифференциального усилител , вход которого подключен к средней точке резистивного делител  а эмиттер, через резистор, к этому входному выводу и непосредственно к эмиттеру второго транзистора, вход которого через стабилитрон соединен с одним из входных выводов и через резистор - с его коллектором, резистивным делителем и третьим выводом блока и непосредственно с базой одного из р-п-р транзисторов второй дифференциальной пары, эмиттеры которых через резистор соединены с одним входным выводом, коллекторы попарно объединены с коллекторами транзисторов первой дифференциально пары и подключены к дополнительным выходам блока, а база второго р-п-р транзистора пары соединена через диод с базой первого р-п-р транзистора пары, непосредственно с коллектором п-р-п транзистора, база которого подключена к пр мому выходу триггера, а эмиттер - через резисто подсоединен к первому выходу ШИМа.

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 473994, кл. G 05 F 1/64, 1975.

2.Авторское свидетельство СССР № 601681, кл. G 05 F 1/56, 1978.

3.Авторское свидетельство СССР № 418844, кл. G 05 F 1/56, 1972.

4.Авторское свидетельство СССР по за вке 2472582/24-07,

кл. Н 02 М 3/335, 04.04.77.

12 и

-pthr

LcT tfeHJ U;

.«..«.,. ii

/3

4й

S

6

.

t

S

- О/

Д5

/

J

фиг.1

®

л

Ffl

О

f8 iw

1Ъ

-й15

2

-TW

Л

-оД

0U2Z