RU161878U1

RU161878U1 - INTERNAL VOLTAGE ASSEMBLY

Info

Publication number: RU161878U1
Application number: RU2015147266/07U
Authority: RU
Inventors: Пётр Аркадьевич Верник; Владимир Иванович Горячев; Андрей Васильевич Чуприн; Олег Прокопьевич Лушов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "НПЦ СпецЭлектронСистемы"
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2016-05-10

Abstract

Полезная модель относится к области электроники и может быть применена при разработке вторичных источников питания (ВИП). Предложенная схема узла внутреннего напряжения питания отличается от прототипа более высоким быстродействием в части формирования внутреннего напряжения питания, более высоким КПД и более высокой надежностью. Все эти положительные качества были достигнуты за счет введения в состав схемы двух регулируемых стабилитронов, двух транзисторов и двух диодов, соединенных межэлементными связями. Введенные элементы и межэлементные связи, позволили исключить из состава схемы прототипа достаточно ненадежные электролитические конденсаторы большой емкости, узел блокировки включения схемы управления и тем самым ускорить формирование внутреннего напряжения питания, т.е. повысить быстродействие схемы, а также, обеспечить получение более высокого КПД узла внутреннего напряжения питания и повысить его надежность. The utility model relates to the field of electronics and can be used in the development of secondary power sources (VIP). The proposed circuit of the internal supply voltage node differs from the prototype in higher speed in terms of the formation of internal supply voltage, higher efficiency and higher reliability. All these positive qualities were achieved by introducing into the circuit two adjustable zener diodes, two transistors and two diodes connected by interconnects. The introduced elements and interconnections made it possible to exclude from the structure of the prototype rather unreliable electrolytic capacitors of large capacity, an interlock for switching on the control circuit, and thereby accelerate the formation of the internal supply voltage, i.e. to increase the speed of the circuit, as well as to ensure a higher efficiency of the internal voltage supply node and increase its reliability.

Description

Полезная модель относится к области электроники и может быть применена при разработке вторичных источников питания (ВИП).The utility model relates to the field of electronics and can be used in the development of secondary power sources (VIP).

Узел внутреннего напряжения питания (УВНП) - это некое электронное устройство, которое из первичного (входного) напряжения выдает напряжение, необходимое для питания элементов схемы управления ВИП. Напряжение, полученное на выходе УВНП, гальванически связано с первичным напряжением и имеет меньший номинал.The node of the internal supply voltage (UVNP) is a certain electronic device that from the primary (input) voltage provides the voltage necessary to power the elements of the VIP control circuit. The voltage received at the output of the UVNP is galvanically connected with the primary voltage and has a lower rating.

Известен УВНП (см. фиг. 1), предназначенный для питания элементов схемы управления ВИП. (Б.С. Сергеев. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания. Москва. «Радио и связь». 1992, стр. 178).Known UVNP (see Fig. 1), designed to power the elements of the VIP control circuit. (BS Sergeev. Circuitry of functional units of secondary power sources. Moscow. “Radio and communications”. 1992, p. 178).

УВНП содержит входной резистор R, линейный стабилизатор (ЛС) и схему «подхвата» напряжения, содержащую силовой трансформатор с дополнительной обмоткой WD, выпрямитель и сглаживающий LC фильтр, выход которого является выходом схемы «подхвата» напряжения, подключенной к выходу ЛС.UVNP contains an input resistor R, a linear stabilizer (LS) and a voltage pickup circuit containing a power transformer with an additional winding WD, a rectifier and an LC smoothing filter, the output of which is the output of a voltage pickup circuit connected to the output of the LAN.

Данная схема работает следующим образом.This scheme works as follows.

При поступлении первичного напряжения на вход ЛС на его выходе (Вых.) формируется напряжение, предназначенное для питания элементов схемы управления. После установки напряжения на выходе ВИП, установится напряжение и на выходе схемы «подхвата», т.е. на выходе сглаживающего LC фильтра. Это напряжение, будучи примерно на 10% выше напряжения, формируемого на выходе ЛС, вызовет запирание последнего, т.е. переведет его в режим минимального потребления тока, вследствие практического отсутствия токовой нагрузки. И теперь схема управления ВИП станет запитываться от более высокого напряжения, формируемого схемой «подхвата» напряжения.Upon receipt of the primary voltage at the input of the drug at its output (Output), a voltage is formed that is designed to power the elements of the control circuit. After setting the voltage at the output of the VIP, the voltage will be established at the output of the "pickup" circuit, i.e. at the output of the smoothing LC filter. This voltage, being approximately 10% higher than the voltage generated at the output of the drug, will lock the latter, i.e. translates it into a mode of minimum current consumption, due to the practical absence of current load. And now the VIP control circuit will be powered by a higher voltage generated by the voltage “pick-up” circuit.

Такой схеме УНВП присущи следующие недостатки.The following disadvantages are inherent in such a UNVP scheme.

1. Запитывание схемы управления от повышенного напряжения приводит к дополнительному расходу мощности и, следовательно, к снижению КПД источника питания.1. Powering the control circuit from increased voltage leads to additional power consumption and, therefore, to reduce the efficiency of the power source.

2. Напряжение, получаемое на выходе схемы «подхвата» напряжения, имеет невысокую стабильность, поскольку снимается с выхода фильтра.2. The voltage received at the output of the voltage “pick-up” circuit has low stability, since it is removed from the output of the filter.

3. Перевод питания схемы управления с пониженного напряжения на повышенное (на 10%) может отрицательно сказаться на работе схемы управления.3. The transfer of the control circuit power from undervoltage to overvoltage (by 10%) may adversely affect the operation of the control circuit.

Это особенно характерно для работы генератора, выполненного на элементах КМДП-ИС. Известно, что период работы такого генератора, а, следовательно, и частота его работы зависят от напряжения питания (Uпит). Последнее обусловлено тем, что напряжение порога переключения (Uп.пер) логических КМДП-ИС зависит от напряжения питания логического элемента и определяется по формуле Uп.пер≈Uпит/2.This is especially true for the operation of the generator, performed on the elements KMDP-IP. It is known that the period of operation of such a generator, and, consequently, the frequency of its operation depend on the supply voltage (Upit). The latter is due to the fact that the voltage of the switching threshold (U.per) of the logic KMDP-ICs depends on the supply voltage of the logic element and is determined by the formula U.per≈Upit / 2.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому УВНП является УНВП, приведенный на фиг. 2 (Типовая схема применения микросхемы. fAN4800, стр. 17).The closest in technical essence to the proposed UVNP is the UVNP shown in FIG. 2 (Typical microcircuit application. FAN4800, p. 17).

УВНП содержит токозадающий резистор Rt, силовой трансформатор с дополнительной обмоткой 1, выпрямительный диод 2, электролитический конденсатор 3, резистор 4, накопительный электролитический конденсатор 5, стабилитрон 6, узел блокировки включения схемы управления 7, имеющей три вывода, при этом первый вывод токозадающего резистора Rt подключен к плюсовой шине входного напряжения питания, а второй его вывод подключен к катоду стабилитрона 6, к плюсовой обкладке накопительного электролитического конденсатора 5, к первому выводу узла блокировки включения схемы управления 7 и ко второму выводу резистора 4, первый вывод которого подключен к плюсовому выводу электролитического конденсатора 5 и к катоду выпрямительного диода 2, анод которого подсоединен к первому выводу дополнительной обмотки 1 силового трансформатора, при этом второй вывод этой обмотки, минусовые выводы электролитических конденсаторов 3 и 5, анод стабилитрона 6 и третий вывод узла блокировки включения схемы управления 7 подключены к минусовой шине входного напряжения питания, а второй вывод этой схемы подключен к схеме управления преобразователя, при этом анод стабилитрона 6 является выходом схемы.UVNP contains a current-carrying resistor Rt, a power transformer with an additional winding 1, a rectifying diode 2, an electrolytic capacitor 3, a resistor 4, a storage electrolytic capacitor 5, a zener diode 6, an activation blocking block of a control circuit 7 having three terminals, while the first terminal of the current-carrying resistor Rt connected to the positive bus of the input voltage, and its second output is connected to the cathode of the zener diode 6, to the positive lining of the storage electrolytic capacitor 5, to the first output of the blocking unit switching on the control circuit 7 to the second terminal of the resistor 4, the first terminal of which is connected to the positive terminal of the electrolytic capacitor 5 and to the cathode of the rectifier diode 2, the anode of which is connected to the first terminal of the additional winding 1 of the power transformer, while the second terminal of this winding is negative terminals of the electrolytic capacitors 3 and 5, the anode of the zener diode 6 and the third output of the power-on lockout of the control circuit 7 are connected to the negative bus of the input supply voltage, and the second output of this circuit is connected to Birmingham converter control, the anode of the zener diode 6 is an output circuit.

Рассмотрим работу схемы прототипа.Consider the operation of the prototype circuit.

При включении входного напряжения питания происходит заряд накопительного электролитического конденсатора 5 через токозадающий резистор Rt. Схема управления (СУ) преобразователя ВИП при этом не работает, благодаря узлу блокировки включения схемы управления 7, который запрещает работу СУ. При достижении на электролитическом конденсаторе 5 необходимого количества энергии, узел блокировки включения схемы управления 7 отключается, и тем самым разрешается работа СУ преобразователя ВИП. Когда напряжение на стабилитроне 6 станет равным напряжению его стабилизации, то на дополнительной обмотке 1 силового трансформатора, возникнет переменное напряжение, которое после выпрямления на диоде 2 и фильтрации этого напряжения на электролитическом конденсаторе 3, через резистор 4 поступит на катод стабилитрона 6. И теперь вся схема запитывается от дополнительной обмотки 1 силового трансформатора, обладающей меньшим числом витков, чем его основная обмотка и, следовательно, меньшим напряжением.When the input voltage is turned on, the storage electrolytic capacitor 5 is charged through the current-setting resistor Rt. The control circuit (CI) of the VIP converter does not work, due to the blocking unit for switching on the control circuit 7, which prohibits the operation of the CI. When the required amount of energy is reached on the electrolytic capacitor 5, the blocking block for switching on the control circuit 7 is turned off, and thereby the operation of the SU converter of the VIP is allowed. When the voltage on the Zener diode 6 becomes equal to the voltage of its stabilization, then on the additional winding 1 of the power transformer, an alternating voltage will arise, which, after rectification on the diode 2 and filtering this voltage on the electrolytic capacitor 3, through the resistor 4 will go to the cathode of the Zener diode 6. And now the whole the circuit is powered from the additional winding 1 of the power transformer, which has fewer turns than its main winding and, therefore, lower voltage.

Такой схеме УВНП присущи следующие основные недостатки.The following main disadvantages are inherent in such a UVNP scheme.

1. Медленное включение напряжения внутреннего питания на выходе УВНП, обусловленное большой постоянной времени заряда конденсатора 5: емкость конденсатора 5 составляет десятки мкФ, а номинал резистора - килоомы.1. Slow inclusion of the voltage of the internal power supply at the output of the UVNP, due to the large constant charge time of the capacitor 5: the capacitance of the capacitor 5 is tens of microfarads, and the resistor value is kilo-ohms.

2. Наличие электролитических конденсаторов (в том числе танталовых), принципиально необходимых в схеме, понижает надежность схемы УВНП. Это связано с тем, что по отказам конденсаторы занимают вторую позицию (26%) после силовых полупроводников (36%). Причем имеет место такое распределение отказов среди конденсаторов:2. The presence of electrolytic capacitors (including tantalum), fundamentally necessary in the circuit, reduces the reliability of the UVNP circuit. This is due to the fact that capacitors occupy the second position in failures (26%) after power semiconductors (36%). Moreover, there is such a distribution of failures among capacitors:

- электролитические конденсаторы -50%;- electrolytic capacitors -50%;

- танталовые конденсаторы - 38%;- tantalum capacitors - 38%;

- многослойные конденсаторы - 5%;- multilayer capacitors - 5%;

- остальные конденсаторы - 7%. (Алексей Антонов. Основные причины отказа источников питания. Электронные компоненты. №5, 2014).- other capacitors - 7%. (Alexey Antonov. The main causes of power supply failure. Electronic components. No. 5, 2014).

3. Электролитические конденсаторы (в бортовых ВИП - это танталовые конденсаторы) занимают много места на подложке (плате), что приводит к увеличению габаритов УВНП и, следовательно, к снижению такого важного показателя как удельная мощность всего ВИП.3. Electrolytic capacitors (in onboard VIPs are tantalum capacitors) take up a lot of space on the substrate (circuit board), which leads to an increase in the size of the UVNP and, consequently, to a decrease in such an important indicator as the specific power of the entire VIP.

4. Принципиальное наличие в схеме резистора 4, обусловленное необходимостью задания тока стабилизации в стабилитрон 5, приводит к дополнительному расходу мощности и, следовательно, к снижению КПД всего ВИП.4. The principal presence in the circuit of a resistor 4, due to the need to set the stabilization current in the zener diode 5, leads to additional power consumption and, therefore, to reduce the efficiency of the entire VIP.

5. В схеме отсутствует возможность подстройки выходного напряжения внутреннего питания, что снижает ее функциональные возможности.5. The circuit does not have the ability to adjust the output voltage of the internal power supply, which reduces its functionality.

6. Наличие в составе УВНП узла блокировки включения схемы управления приводит к заметному усложнению всей схемы УВНП.6. The presence of a blocking unit for switching on the control circuit as part of the UVNP leads to a noticeable complication of the entire UVNP circuit.

Здесь следует указать, что схема УВНП, аналогичная приведенной на фиг. 2, используется в типовых модулях питания СПН. И в них, в качестве узла блокировки включения схемы управления, применяется микросхема К1171СП73Т ТУГК, в качестве накопительного электролитического конденсатора 5 используется танталовый конденсатор емкостью в 33 мкФ: конденсатор К53-22-16В-33 мкФ, в качестве стабилитрона 6 используется стабилитрон 2С21ЖСМ3, а в качестве токозадающего резистора Rt применяется резистор номиналом в 5.6 кОм.It should be noted here that the UVNP scheme, similar to that shown in FIG. 2, used in typical power supply modules SPN. And in them, as a blocking block for switching on the control circuit, the K1171SP73T TUGK microcircuit is used, as a storage electrolytic capacitor 5, a tantalum capacitor with a capacity of 33 μF is used: a capacitor K53-22-16V-33 μF, a zener diode 6 uses a zener diode 2С21ЖСМ3, and a resistor of 5.6 kOhm is used as the current-setting resistor Rt.

Целью полезной модели являются повышение КПД, повышение надежности, сокращение времени включения напряжения на выходе УВНП и расширение функциональных возможностей.The purpose of the utility model is to increase efficiency, increase reliability, reduce the turn-on time of the voltage at the output of the UVNP and expand the functionality.

Поставленная цель достигается тем, что в схему УВНП, содержащую токозадающий резистор Rt, первый вывод которого подключен к плюсовой шине источника входного напряжения питания, дополнительную обмотку 1 силового трансформатора, первый вывод которой подключен к аноду выпрямительного диода 2, а его катод подсоединен к первой обкладке конденсатора 3, вторая обкладка которого и второй вывод дополнительной обмотки 1 силового трансформатора, подключены к минусовой шине входного напряжения питания, введены регулируемые стабилитроны 4, 8, транзисторы 5, 7, диоды 6, 11 и резисторы обратной связи 9, 10, при этом катод регулируемого стабилитрона 4 подключен к второму выводу токозадающего резистора Rt, к своему управляющему входу и к базе транзистора 5, а анод регулируемого стабилитрона 4 подключен к катоду регулируемого стабилитрона 8 и к базе транзистора 7, при этом коллектор транзистора 5 подключен к первому выводу токозадающего резистора Rt, а его эмиттер подсоединен к аноду диода 6, катод которого подсоединен к коллектору транзистора 7 и к катоду диода 11, анод которого подключен к катоду диода 2, при этом эмиттер транзистора 7, являющийся выходом схемы, подсоединен к первому выводу резистора обратной связи 9, второй вывод которого подключен к первому выводу резистора обратной связи 10 и к управляющему входу регулируемого стабилитрона 8, а второй вывод резистора обратной связи 10 и анод регулируемого стабилитрона 8 подсоединены к минусовой шине входного источника напряжения питания.This goal is achieved by the fact that in the UVNP circuit containing a current-sensing resistor Rt, the first output of which is connected to the plus bus of the input voltage supply, an additional winding 1 of the power transformer, the first output of which is connected to the anode of the rectifier diode 2, and its cathode is connected to the first lining capacitor 3, the second lining of which and the second output of the additional winding 1 of the power transformer, are connected to the negative bus of the input voltage, introduced adjustable zener diodes 4, 8, transistor ora 5, 7, diodes 6, 11 and feedback resistors 9, 10, while the cathode of the adjustable zener diode 4 is connected to the second output of the current-setting resistor Rt, to its control input and to the base of the transistor 5, and the anode of the regulated zener diode 4 is connected to the cathode of the adjustable the zener diode 8 and the base of the transistor 7, while the collector of the transistor 5 is connected to the first output of the current-setting resistor Rt, and its emitter is connected to the anode of the diode 6, the cathode of which is connected to the collector of the transistor 7 and to the cathode of the diode 11, the anode of which is connected to the cathode of the diode 2 wherein the emitter of the transistor 7, which is the output of the circuit, is connected to the first output of the feedback resistor 9, the second output of which is connected to the first output of the feedback resistor 10 and to the control input of the adjustable zener diode 8, and the second output of the feedback resistor 10 and the anode of the adjustable zener diode 8 are connected to the negative bus of the input power supply source.

На фиг. 3 представлена схема предлагаемого УВНП.In FIG. 3 presents a diagram of the proposed UVNP.

Схема содержит токозадающий резистор Rt, дополнительную обмотку 1 силового трансформатора, выпрямительный диод 2, конденсатор 3, регулируемые стабилитроны 4, 8, транзисторы 5, 7, диоды 6, 11, резисторы обратной связи 9, 10.The circuit contains a lead-in resistor Rt, an additional winding 1 of the power transformer, a rectifying diode 2, a capacitor 3, adjustable zener diodes 4, 8, transistors 5, 7, diodes 6, 11, feedback resistors 9, 10.

При этом катод регулируемого стабилитрона 4 подключен ко второму выводу токозадающего резистора Rt, к своему управляющему входу и к базе транзистора 5, а анод регулируемого стабилитрона 4 подключен к катоду регулируемого стабилитрона 8 и к базе транзистора 7, при этом коллектор транзистора 5 подключен к первому выводу токозадающего резистора Rt, а его эмиттер подсоединен к аноду диода 6, катод которого подсоединен к коллектору транзистора 7 и к катоду диода 11, анод которого подключен к катоду диода 2 и к первой обкладке конденсатора 3. При этом эмиттер транзистора 7, являющийся выходом схемы, подсоединен к первому выводу резистора обратной связи 9, второй вывод которого подключен к первому выводу резистора обратной связи 10 и к управляющему входу регулируемого стабилитрона 8, а второй вывод резистора обратной связи 10 и анод регулируемого стабилитрона 8 подсоединены к минусовой шине входного источника напряжения питания.In this case, the cathode of the regulated zener diode 4 is connected to the second output of the current-setting resistor Rt, to its control input and to the base of the transistor 5, and the anode of the regulated zener diode 4 is connected to the cathode of the regulated zener diode 8 and to the base of transistor 7, while the collector of transistor 5 is connected to the first output of the lead-in resistor Rt, and its emitter is connected to the anode of the diode 6, the cathode of which is connected to the collector of the transistor 7 and to the cathode of the diode 11, the anode of which is connected to the cathode of the diode 2 and to the first lining of the capacitor 3. In this case, the em the ytter of the transistor 7, which is the output of the circuit, is connected to the first output of the feedback resistor 9, the second output of which is connected to the first output of the feedback resistor 10 and to the control input of the adjustable zener diode 8, and the second output of the feedback resistor 10 and the anode of the adjustable zener diode 8 are connected to negative bus of the input voltage supply source.

Предлагаемая схема УВНП работает следующим образом.The proposed UVNP scheme works as follows.

При включении напряжения питания по цепи токозадающий резистор Rt, регулируемые стабилитроны 4 и 8 протекает ток стабилизации, обеспечивающий включение регулируемых стабилитронов 4 и 8 в рабочее состояние. Токи в базы транзисторов 5 и 7 задаются с учетом получения требуемого тока для питания схемы управления. Поскольку в схеме УВНП отсутствуют накопительные конденсаторы, то скорость формирования рабочего напряжения на выходе схемы УВНП практически определяется только частотными свойствами транзисторов, работающих в линейном режиме. А это означает, что напряжение на выходе УВНП сформируется очень быстро, т.е. практически без задержки. При установке напряжения на выходе схемы «подхвата», т.е. на конденсаторе 3, это напряжение через выпрямительный диод 2 и диод 6 поступит на эмиттер транзистора 4, и закроет данный транзистор, в силу того, что вновь установленное напряжение на конденсаторе 3 больше по величине, чем напряжение на его базе. В результате, при выходе схемы на рабочий режим, напряжение на коллекторе транзистора 7 окажется примерно на 2 вольта выше, чем напряжение на его базе, т.е. он будет работать в линейном режиме. Малое напряжение между коллектором и эмиттером обеспечит и малую потерю мощности на транзисторе 7 и, следовательно, более высокое КПД схемы УВНП.When you turn on the supply voltage through the circuit current-generating resistor Rt, adjustable zener diodes 4 and 8, the stabilization current flows, ensuring the inclusion of adjustable zener diodes 4 and 8 in working condition. The currents in the base of transistors 5 and 7 are set taking into account the receipt of the required current to power the control circuit. Since there are no storage capacitors in the UVNP circuit, the rate of formation of the operating voltage at the output of the UVNP circuit is practically determined only by the frequency properties of transistors operating in a linear mode. And this means that the voltage at the output of the UVNP will form very quickly, i.e. virtually no delay. When setting the voltage at the output of the "pickup" circuit, i.e. on capacitor 3, this voltage is supplied through rectifier diode 2 and diode 6 to the emitter of transistor 4, and closes this transistor, due to the fact that the newly installed voltage on capacitor 3 is larger in magnitude than the voltage at its base. As a result, when the circuit enters the operating mode, the voltage at the collector of transistor 7 will be approximately 2 volts higher than the voltage at its base, i.e. he will work in linear mode. A small voltage between the collector and the emitter will provide a small loss of power on the transistor 7 and, therefore, a higher efficiency of the UVNP circuit.

С помощью резисторов обратной связи 9 и 10 возможно осуществлять подстройку напряжения на выходе УВНП.Using feedback resistors 9 and 10, it is possible to adjust the voltage at the output of the UVNP.

Дальнейшего снижения потребляемой мощности схемой УВНП можно достичь, если в ней, вместо транзисторов 4 и 5, применить схему Дарлингтона или МОП транзисторы.A further reduction in power consumption by the UVNP circuit can be achieved if, instead of transistors 4 and 5, Darlington or MOS transistors are used in it.

В качестве схемы «подхвата» напряжения допускается использование любой другой схемы, включая, приведенную на фиг. 1.As a voltage pickup circuit, any other circuit may be used, including that shown in FIG. one.

В последнем случае, мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора 7, будет минимальной.In the latter case, the power dissipated on the collector of the transistor 7 will be minimal.

Claims

An internal supply voltage node containing a current-sensing resistor Rt, the first terminal of which is connected to the plus bus of the input voltage source, a power transformer with an additional winding (1), the first terminal of which is connected to the anode of the rectifier diode (2), and its cathode is connected to the first lining capacitor (3), the second lining of which and the second output of the additional winding (1) of the power transformer are connected to the negative bus of the input voltage, adjustable zener diodes (4, 8), transistors (5, 7), d iodines (6, 11) and feedback resistors (9, 10), while the cathode of the adjustable zener diode (4) is connected to the second output of the current-setting resistor Rt, to its control input and to the base of the transistor (5), and the anode of the adjustable zener diode (4 ) is connected to the cathode of the adjustable zener diode (8) and to the base of the transistor (7), while the collector of the transistor (5) is connected to the first output of the current-setting resistor Rt, and its emitter is connected to the anode of the diode (6), the cathode of which is connected to the collector of the transistor ( 7) and to the cathode of the diode (11), the anode of which is connected to the cathode d an ode (2), while the emitter of the transistor (7), which is the output of the circuit, is connected to the first output of the feedback resistor (9), the second output of which is connected to the first output of the feedback resistor (10) and to the control input of the adjustable zener diode (8) and the second output of the feedback resistor (10) and the anode of the adjustable zener diode (8) are connected to the negative bus of the input power supply source.