HU186166B - Circuit arrangement for making insulated stabilized dc/dc converter of voltage, preferably for electronic apparatuses - Google Patents

Description

A találmány tárgya kapcsolási elrendezés szigetelt DC/DC stabilizált feszültségátalakító megvalósítására, amely kis és közepes teljesítmény igényű híradástechnikai és számítástechnikai berendezések tápellátására alkalmas. ^!

Az áramköri elrendezés különösképpen alkalmas társasvonali távbeszélő rendszerek, valamint tárolt programvezérlésű PCM kapcsolómezővel ellátott távbeszélőközpontok táplálására. Előnyösen alkalmazható kis és közepes méretű mikroprocesz- 1 szorral vezérelt berendezésekben, továbbá minden olyan helyen, ahol a jó hatásfok és a stabilitás követelmény.

Ismertek a hazai és külföldi szakirodalomból valamint a gyakorlatból - a szigetelt DC/DC átala- 1 kilók különböző fajtái. Minden ilyen átalakítónál alapvető feladat a kimenőfeszültség és áram figyelése, illetve ezek változásának a primer oldalra történő szigetelt közvetítése.

Az 5 334 809 lsz. japán szabadalmi leírásból ² olyan megoldást ismerhetünk meg, ahol az átvitt teljesítményt tartják közel állandó értéken. Ezen megoldásnál a bemeneti egyenfeszültség söntelienálláson keresztül kerül a nagyfrekvenciás teljesítmény t ranszformátorra. A kapcsoló elem a két tranzisztor, amelyeket a vezérlő egység hajt meg.

A nagyfrekvenciás teljesítménytranszformátor szekunder oldalán kétutas egyenirányítás van. A kimenőfeszültség nagyságát egy áramkör érzékeli és áramjelet képez. A söntellenálláson a befolyó árammal arányos feszültség keletkezik, amely egy illesztő egységen keresztül a műveleti erősítőre jut, amelynek kimenetén a befolyó árammal arányos áramjel lép fel. A befolyó árammal arányos, illetve a kimeneti feszültségből képzett áramjel egyensúlyi állapotának felbomlása vezérli a vezérlő egységet mégpedig oly módon, hogy az olyan értelemben változtassa meg a kitöltési tényezőt, hogy az egyensúlyi állapot ismét helyreálljon.

Ezen megoldás úgy a célkitűzésében, mint a meg- ^L oldásában eltér a találmány szerinti kapcsolási elrendezésünktől, Az ismert megoldás állandó teljesítményre, az általunk javasolt megoldás pedig állandó kimenőfeszültségre szabályoz.

A feszültségfigyelés egyik legismertebb módszc- ‘ re, hogy a vezérlő és a meghajtó áramkör számára külön segédfeszülíséget alkalmaznak. Ezen megoldásoknál lehetőség van a vezérlő áramkör érzékelő bemenetének a kimenethez való galvanikus csatlakoztatására. Ez esetben a meghajtó áramkör a kap- ^! csolótranzisztorokat csak a galvanikus elválasztást biztosító impulzustranszformátoron keresztül vezérelheti.

Erre a megoldásra példa a Philips cég 2000 V-22 W-os konvertere, amely megtalálható ^! Ferenczi Ödön: Kapcsolóüzemű tápegységek című könyvének 218. oldalán a 6.30. ábrán. Ezen megoldásnál a bejövő 220 V váltakozófesziiltséget egyenirányítják, szűrik és a nagyfrekvenciás teljesítménytranszformátor primer tekercsén keresztül a kapcsoló elemre vezetik. A kapcsoló elem vezérlését egy további transzformátoron keresztül egy integrált vezérlő áramkör látja el. Ez a vezérlő áramkör 24 V-os egyenfeszültséget igényel, amit külön elő kell állítani. Ezen megoldás hátránya, hogy költsé2

166 ges, mert külön segédfeszültségre, transzformátorra, egyenirányító és szűrőáramkörre van szükség.

Ismeretes olyan kapcsolási elrendezés is, amelynél az integrált vezérlő áramkör tápfeszültség ellá⁵ tása egy 10 V-os segédfeszültségről történik. Ilyen a Ferranti cég 5 V-40 A-es DC/DC konvertere, amely megtalálható Ferenczi Ödön: „Félvezetős feszültségátalakítók” című könyvének 12.19. ábráján. A kapcsolótranzisztorok vezérlése szigetelt imθ pulzustranszformátoron keresztül történik. A megoldás hátránya, hogy az integrált vezérlő áramkör érzékelő bemenete galvanikusan van a kimenetén, és a vezérlő impulzusokat csak megfelelően szigetelt impulzustranszformátoron keresztül lehet a ⁵ kapcsoló elemekre vezetni. A megoldás további hátránya, hogy a tápegység indítására külön segédáramkört kell alkalmazni. A jelenleg forgalomban lévő korszerű integrált vezérlő áramkörök tápfeszültség igénye minimum 7 V, míg a legtöbb konvertert 5 V-os kimenő feszültségűre kell készíteni, mivel mind a TTL, mind a mikroprocesszoros áramkörök ezt igénylik, így ezen igény kielégítésére ez a megoldás nem alkalmazható.

Ismeretes olyan megoldás is, ahol a szekunder oldali változások hatása optikai csatolón keresztül jut a primer oldalra. (Lásd: Ferenczi Ödön: „Félvezetős feszültségátalakitók” című könyvének 263. oldalán lévő 11.47. ábrát.) Ennek előnye, az előzőekben említett mindkét megoldáshoz képest, hogy olcsóbb, mert elmarad az említett elrendezésnél szükséges segédfeszültség, illetve a másik módszernél alkalmazott indító segédáramkör.

Az elrendezés további előnye, hogy 5 V-os, vagy ennél kisebb feszültségű kimenet is megvalósítható.

Az optikai csatolós feszültségvisszacsatolás az optikai csatoló üzemmódjától függően két csoportba sorolható. Az egyik megvalósításnál az optikai csatoló analóg üzemmódban dolgozik, Ennél a megoldásnál az optikai csatoló dióda karakterisztikája és annak változása a hőmérséklet függvényében alapvetően meghatározza a kimenő feszültség stabilitását. A másik megoldásnál az optikai csatoló kapcsoló üzemben működik, ezzel a hőmérséklet függés kiküszöbölhető.

A jelenleg forgalomban lévő integrált vezérlő áramkörökhöz az optikai csatoló illesztése csak bonyolult áramköri elrendezéssel lehetséges, ha ezt a megoldást nagy megbízhatóságú ipari berendezésekben kívánjuk alkalmazni. Egyébként ezen áramköri elrendezések további hátránya, hogy a beállított kapcsolási frekvencia csak szűk bemenő feszültség és terhelő áram változás mellett adja a kívánt stabilitást.

A felsorolt áramkört megvalósításoknál az árammal arányos feszültség illesztése az integrált szabályozó áramkörökhöz csak kompromisszum árán lehetséges, mert az áramköri elrendezés magában hordozza áramkorlátozásos üzemmódban a gerjedési hajlamot. Növekvő túlterhelés hatására az egyre csökkenő impulzusszélességet a beállított frekvenciával nem tudja az áramkör a vezérlő elemekre rákényszeríteni. Célunk, hogy a találmány szerinti kapcsolási elrendezések az előzőekben felsorolt hátrányokat kiküszöböljük.

Kitűzött célunkat azáltal érjük el, hogy olyan

-2186 166 kapcsolási elrendezést hozunk létre szigetelt DC/DC stabilizált feszültségátaiakitó megvalósítására, amely szigetelt teljesítmény impulzuslranszformátort, egyenirányító és szűrőáramkört, kapcsoló elemeket, illesztő ellenálláshálózatot, optikai csatolót, és két erősítővel rendelkező integrált vezérlő áramkört tartalmaz, és amelyet az jellemez, hogy az integrált vezérlő áramkör egyik hibajelfeszültség figyelő erősítőjének kimenete sorbakötött ellenálláson és kondenzátoron keresztül ugyanezen erősítő invertáló bemenetére csatiako-. zik, amelynek másik bemenetére referencia-feszültség van kötve; az integrált vezérlő áramkör másik hibajel-feszültség figyelő erősítőjének kimenete a másik erősítő kimenetére, egyik bemenete referenciafeszültségre csatlakozik, míg a másik bemenetére egy dióda katódja, valamint egy kondenzátor és egy ellenállás párhuzamosan kapcsolt vége van kötve. A kondenzátor és az ellenállás másik közösített vége OV feszültségű pontra van kötve. A dióda anódja ellenálláson keresztül vagy anélkül sönt ellenállásra csatlakozik, amelynek másik vége szintén OV feszültségszintű pontra van kötve.

A továbbiakban a találrnány tárgyát példakénti kiviteli alak alapján ismertetjük részletesebben.

Az 1. ábrán a találmány szerinti kapcsolási elrendezés látható.

A 2. ábrán az 1. ábra szerinti kapcsolási elrendezés kimenő feszültségét mutatja a bemenő áram függvényében.

A 3. ábra az 1. ábra szerinti kapcsolási elrendezés kimenő feszültségét a kimenő áram függvényében mutatja.

A 4. ábrán a találmány szerinti kapcsolási elrendezés egy lehetséges felhasználási módja látható.

Az 5. ábrán a találmány szerinti kapcsolási elrendezés másik felhasználási módja látható.

A 6. ábrán a találmány szerinti kapcsolási elrendezés egy további felhasználási módja látható.

A találmány tárgyát egy ellenütcmü kiviteli alak kapcsán ismertetjük (1. ábra), de alkalmazható nyitó és záróüzemű kapcsolásokban is. A találmány szerinti szigetelt DC/DC stabilizált feszültségátalakítóknál az energiaátvitel egy szimmetrikus primer tekercsű szigetelt teljesítmény impulzus Tr transzformátoron keresztül történik. A Tr transzformátor feladata a bemeneti és kimeneti feszültségek galvanikus szélválasztása és a kimenő feszültség megfelelő szintre transzformálása. A Tr transzformátor szekunder oldalához Sz egyenirányító és szűrő áramkör csatlakozik, amelynek kimenete a feszültségátalakító Uki kimenetével van összekötve. A Tr transzformátor primer tekercsének közepére a feszültségátalakító Ube bemenete van kötve, amely Ube bemenetre a bejövő egyenfeszültség csatlakozik. A Tr transzformátor primer tekercsének kezdetéhez és végéhez kapcsoló elemként TI és T2 leljcsítménytranziszlorok cmillerci össze vannak kötve és ÁS sönt ellenálláson keresztül földelve vannak. Az RS sönt ellenállás a felvett árammal arányos U_RS feszültség előállítására szolgál. A TI és T2 leljesítménylranziszlorok bázisára 1 integrált vezérlő áramkör KI és K2 vezérlő kimenetei csatlakoznak, amelyek a megfelelő szélességű, frekvenciájú és fázishelyzetü vezérlő impulzusokat szolgáltatják. A feszültségátaiakitó Uki kimenete CS optikai csatolón és Rh illesztő ellenálláshálózaton keresztül az 1 integrált vezérlő áramkör Bl bemenetére csatlakozik. A CS optikai csatoló a feszültség hibajelének az 1 integrált vezérlő áramkörhöz való szigetelt visszavezetését végzi. Az 1 integrált vezérlő áramkör El és E2 hibajel-feszültség figyelő erősítőket tartalmaz. Az El hibajel-feszültség figyelő erősí? ő invertáló bemenetére a Bl bemenet, míg a másik bemenetére az 1 integrált vezérlő áramkör B2 bemenetén keresztül U3 referencia feszültségpont csatlakozik. Az El és E2 hibajelfeszültség figyelő erősítők kimenetei össze vannak kötve és az 1 integrált vezérlő áramkör B3 pontján, valamint sorbakötött Ál ellenálláson és Cl kondenzátoron keresztül a Bl bemenetre csatlakoznak. A sorbakötött Rl ellenállás és a Cl kondenzátor frekvenciafüggő visszacsatolást alkot. Az E2 hibajelfeszültség figyelő erősítő egyik F2 bemenetére U1 referencia-feszültség, másik FI bemenetére D dióda katódja van kötve, A D dióda katódjához Á3 ellenállás és C2 kondenzátor párhuzamosan kapcsolt egyik vége, csatlakozik, míg a másik közösített végük OV feszültségszintű pontra van kötve. A D dióda anódja Á2 ellenálláson keresztül (vagy anélkül) az RS sönt ellenállásra csatlakozik. Az RS sönt ellenálláson megjelenő U_RS impulzusfeszültség Tsíá2 C2 időállandóval tölti a C2 kondenzátort, A C2 kondenzátor kisülése T₃^á3 C2 időállandóval történik. A T,, ill. T, időállandók beállítását a< R2, ill. Á3 ellenállások megfelelő megválasztása teszi lehetővé. A D dióda a töltő áramkör és a kisülő áramkör szétválasztását végzi. A D dióda segítségével a T, és T, időállandók egymástól függetlenül megválaszthatok. Az eddig alkalmazott megoldásokban csak egy időállandó szerepelt, mivel a D diódát nem alkalmazták ilyen céllal.

A találmány szerinti kapcsolási elrendezés lényege, hogy két időállandós áramfigyelést valósít meg egy megfelelően kialakított visszacsatolás egyidejű alkalmazásával. A primer oldali áram határolúsi karakterisztika meredeksége a T, és T, időállandók arányának megválasztásával tervezhető.

A Ql = j,; hányados meghatározza az Uki kimenőfeszültség Ibe bemenőáram transzfer karaktersztika visszahajló ágának meredekségét. Különböző Ql, Q2, Q3 hányadosokhoz különböző meredekség tartozik (2. ábra), ahol Ql >Q2>Q3.

A szekunder oldali Uki kimenőfeszültség Iki kimenőáram karakterisztika derékszögűre adódik (3. ábra), ami lehetővé teszi a több tápegység párhuzamos járatását. Áramkorlátozás üzemmódban az egyre növekvő túlterheléshez tartozó egyre csökkenő impulzus szélességű vezérlő jeleket, a kezdeti túlterheléstől a rövidzárásig, az Ál ellenállásból és a Cl kondenzátorból álló visszacsatolás alkalmazásával tudjuk a kapcsoló elemekre rákényszeríteni.

Relatív nagy bemenő feszültségeknél, és a tápegység teljesítményéhez képest kis terheléseknél a kapcsoló elem igen kis bekapcsolási idővel üzemel. A stabil működést optikai csatolós rendszereknél ezen szélsőséges üzemmódokban is az Rl ellenállásból és a Cl kondenzátorból álló áramköri elrendezéssel lehet biztosítani.

-3186 166

Az I. ábra szerinti megoldás előnye a szokásos kapcsolási elrendezésekhez képest, hogy a tápegység széles bemenő feszültség változás és nagy terhelő áram változás hatására is stabilan működik.

A kapcsolási elrendezés szerinti tápegység lehetőséget nyújt több TI, T2, T3.. .Tn tápegység szinkron működtetésére, amelyek különböző í/bel, C/be2, Cbe3...í/ben bemenőfeszültségekkel és ennek megfelelően különböző í/kil, í/ki2, í/kí3... t/kin kimenő feszültségekkel rendelkezhetnek. Ez- 1 zel elkerülhető, hogy az eltérő működési frekvenciák következtében intermodulációs zavarok keletkezzenek (4. ábra), amelyek analóg berendezéseknél a hangcsatornában füllel hallható zajokat okozhatnak. ¹

A kapcsolási elrendezés lehetőséget nyújt arra is, hogy egy V központi vezérlő áramkör segítségével n darabszámú TI, T2...Tn tápegységet tetszőleges sorrendben indítsunk, illetve újra tiltsunk (5. ábra), például telefonközpontokban, számítástechnikai és * minden egyéb mikroproceszorral vezérelt berendezésben. A találmány szerinti kapcsolási elrendezés lehetővé teszi, hogy több TI, T2...Tn tápegység párhuzamosan kapcsolódjon melegtartalék céljából TIT, T2T...TnT tápegységgel ΛΤ1, RT2...RTn ' terhelésekre dolgozva (6. ábra), amire az ad lehetőséget, hogy a találmány szerinti kapcsolási elrendezés segítségével a 2. és 3. ábrán látható karakterisztikák igen jól kézben tarthatók.

Claims (3)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Kapcsolási elrendezés szigetelt DC/DC stabilizált feszültségátalakitó megvalósítására, kis és közepes teljesítményű elektronikus berendezések, különösen műszer és híradástechnikai, valamint számítástechnikai berendezések, előnyösen tárolt programvezérlésű távbeszélő központok, diszpécser távbeszélő rendszerek számára, amely szigetelt teljesítmény impulzustranszformátort, és hozzá egyenirányító és szűrő áramkörön, valamint optikai csatolón keresztül kapcsolódó ellenállás hálózatot, ill. hozzá kapcsoló elemeken keresztül csatlakozó erősítőkkel rendelkező integrált vezérlő áram⁰ kört tartalmaz, azzal jellemezve, hogy az integrált vezérlő áramkör (1) egyik hibajel-feszültség figyelő erősítőjének (El) kimenete sorba kötött ellenálláson (Rl) és kondenzátoron (Cl) keresztül ugyanezen erősítő (El) invertáló bemenetére (Bl) csatla5 kozik, amelynek másik bemenetére (B2) referenciafeszültségpont (U3) van kötve, míg az integrált vezérlő áramkör (1) másik hibajel-feszültség figyelő erősítőjének (E2) kimenete a másik hibajel-feszültség figyelő erősítő (El) kimenetére, egyik bemenete (F2) pedig referencia-feszültségpontra (U1) csatlakozik és a másik bemenete (FI) dióda (D) egyik végére, valamint egy kondenzátor (C2) és egy ellenállás (R3) párhuzamosan kapcsolt vége van kötve, amelyek másik vége OV feszültségszintű pontra csatlakoznak, a dióda (D) másik vége söntellenállásra (RS) csatlakozik, amelynek másik vége szintén OV feszültségszintű pontra van kötve,
2. 2. Az 1. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy a dióda (D) egy további ellenálláson (R2) keresztül csatlakozik a OV feszültségszintű pontra kötött söntellenálláshoz (RS).
3. 3. Az 1-2. igénypont bármelyike szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy melegtartalékként tetszőleges darabszámú tápegység párhuzamosan van kötve.