RU2179781C1

RU2179781C1 - Voltage converter

Info

Publication number: RU2179781C1
Application number: RU2000122026A
Authority: RU
Inventors: В.В. Наговицын; Б.С. Сергеев
Original assignee: Уральский государственный университет путей сообщения
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2002-02-20

Abstract

FIELD: ac-to-dc voltage conversion for feeding electronic or electrical equipment. SUBSTANCE: converter has diode bridge connected to ac supply mains through first capacitor that functions to reduce supply voltage across pulse regulator or converter. Voltage U_on built up across second capacitor used for filtering rectified voltage upon turning on the converter drives in conduction first transistor that passes dc voltage to regulator. Magnitude of U_on depends on stabilizing voltage of first regulator. Picking off ac voltage reduces input voltage of regulator. As soon as it drops to U_off value depending on stabilizing voltage of second regulator, fifth transistor stops passing current which drives in conduction fourth transistor followed by cutting off transistors forming transistor analog of thyristor. This de-energizes the converter. So converter uses two voltage threshold levels U_on and U_off for setting on- and off-operation moments. EFFECT: provision for eliminating self-excited oscillations in switching modes of operation of regulator or converter. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразователям переменного напряжения в стабилизированное постоянное, и предназначено для электропитания электронных и электротехнических приборов различного назначения. The invention relates to electrical engineering, and in particular to converters of alternating voltage into a stabilized constant current, and is intended for power supply of electronic and electrical devices for various purposes.

Известны преобразователи напряжения, содержащие силовой низкочастотный трансформатор, сниженные напряжения вторичных обмоток которого выпрямляются, сглаживаются и затем стабилизируются импульсным или линейным стабилизатором постоянного напряжения (Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь. 1981. - С. 10, рис. 1-5). Недостатком подобных устройств является высокая материалоемкость и большая стоимость вследствие использования низкой частоты преобразования 50 Гц. Known voltage converters containing a power low-frequency transformer, the reduced voltage of the secondary windings of which are rectified, smoothed and then stabilized by a pulsed or linear constant voltage stabilizer (Romash E.M. Sources of secondary power supply of electronic equipment. - M .: Radio and communication. 1981. - C . 10, fig. 1-5). The disadvantage of such devices is the high material consumption and high cost due to the use of a low conversion frequency of 50 Hz.

Известны также высокочастотные "бестрансформаторные" преобразователи напряжения, у которых переменное напряжение питающей сети вначале выпрямляется и сглаживается, а затем преобразуется в более низкие выходные напряжения при помощи импульсных преобразователей или импульсных стабилизаторов (Сергеев Б. С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания. - М. : Радио и связь. 1992. - С. 7, рис. 1.1). Эти устройства отличает существенно меньшая материалоемкость, однако, вследствие необходимости коммутации транзисторами и диодами высоких значений напряжения, надежность их работы невысока и уровень электромагнитных помех, излучаемых ими, велик. Also known are high-frequency "transformerless" voltage converters, in which the alternating voltage of the supply network is first rectified and smoothed, and then converted to lower output voltages using pulse converters or pulse stabilizers (Sergeev B.S. Circuitry of functional units of secondary power sources. - M .: Radio and communications. 1992. - S. 7, Fig. 1.1). These devices are distinguished by significantly lower material consumption, however, due to the need for high voltage values to be switched by transistors and diodes, their operation reliability is low and the level of electromagnetic interference emitted by them is high.

Более эффективными являются преобразователи переменного напряжения в требуемые постоянные, у которых для снижения переменного напряжения используется ограничивающий конденсатор, включенный на входе устройства последовательно с диодным мостом (Сергеев Б. С. , Чечулина А.Н. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт. 1998. - С. 185, рис. 5.13). Их недостатком является существенная зависимость выходного постоянного напряжения от тока нагрузки, что приводит к тому, что в моменты пуска импульсного стабилизатора (или преобразователя), включенного на выходе диодного моста, происходит импульсное снижение напряжения, обусловливающее возникновение автоколебаний и последующий отказ элементов схемы. Converters of alternating voltage to the required constant are more efficient, for which a limiting capacitor is used, which is connected in series with the diode bridge to the input of the device in series with the diode bridge (Sergeev B.S., Chechulina A.N. Power sources of electronic equipment of railway transport. - M. : Transport. 1998. - S. 185, Fig. 5.13). Their disadvantage is a significant dependence of the output DC voltage on the load current, which leads to the fact that at the moments of start-up of the pulse stabilizer (or converter) connected to the output of the diode bridge, a voltage decrease occurs, causing self-oscillations and subsequent failure of the circuit elements.

Наиболее близким по схемотехнике и сущности происходящих процессов является преобразователь напряжения, у которого для компенсации просадок напряжения используется пороговое устройство, включенное между выходом диодного моста и входом импульсного стабилизатора (или преобразователя), которое включается только после достижения на фильтрующем конденсаторе заданного и достаточно большого уровня напряжения (Пат. РФ 2123755. Источник вторичного электропитания / Б.С. Сергеев, Н.Б. Курченкова. Публ. БИ 1998, 35). The closest in circuit design and the essence of the processes is a voltage converter, which uses a threshold device connected between the output of the diode bridge and the input of a pulse stabilizer (or converter) to compensate for voltage drops, which is turned on only after reaching a predetermined and sufficiently large voltage level on the filter capacitor (Pat. RF 2123755. Source of secondary power supply / B. S. Sergeev, N. B. Kurechenkova. Publ. BI 1998, 35).

Недостатком этого устройства является отсутствие контроля нижнего уровня напряжения, питающего импульсный стабилизатор, что не исключает возможности возникновения автоколебаний при его пуске или коммутации тока нагрузки. Это снижает надежность работы устройства и препятствует его более широкому применению в устройствах электропитания. The disadvantage of this device is the lack of control of the lower voltage level supplying the pulse stabilizer, which does not exclude the possibility of self-oscillations during its start-up or switching the load current. This reduces the reliability of the device and prevents its wider use in power devices.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей применения преобразователя напряжения за счет повышения надежности его работы. The aim of the invention is to expand the functionality of the voltage Converter by increasing the reliability of its work.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователь напряжения вводится пороговое устройство контроля напряжения на выходе диодного моста, которое отключает импульсный стабилизатор (преобразователь) при снижении этого напряжения до заданной величины. This goal is achieved by the fact that a threshold voltage control device at the output of the diode bridge is introduced into the voltage converter, which turns off the pulse stabilizer (converter) when this voltage is reduced to a predetermined value.

На фиг. 1 приведена схема преобразователя напряжения, а на фиг. 2 - временные диаграммы его работы. In FIG. 1 is a diagram of a voltage converter, and FIG. 2 - time diagrams of his work.

Преобразователь напряжения содержит диодный мост 1, входные выводы которого через первый конденсатор 2 подключены к сети переменного напряжения. Положительный выходной вывод моста 1 соединен с первым выводом второго конденсатора 3, катодом первого стабилитрона 4 и с эмиттером первого транзистора 5 p-n-p типа проводимости, коллектором подключенного к положительному входу импульсного стабилизатора 6, а базой - к первому выводу первого резистора 7. Анод первого стабилитрона 4 через второй резистор 8 соединен с базой второго транзистора 9 n-p-n типа проводимости, коллектором третьего транзистора 10 p-n-p типа проводимости и коллектором четвертого транзистора 11 n-p-n типа проводимости. Эмиттеры транзисторов 9 и 11, а также пятого транзистора 12 n-p-n типа проводимости подключены к отрицательному выходному выводу моста 1, второму выводу второго конденсатора 3, первому выводу третьего конденсатора 13 и к отрицательному входу стабилизатора 6. Коллектор первого транзистора 5 соединен с анодом диода 14 и с катодом второго стабилитрона 15, анод которого через третий резистор 16 подключен к базе пятого транзистора 12, коллектором через четвертый резистор 17 соединен с базой четвертого транзистора 11 и через пятый резистор 18 с точкой соединения второго вывода третьего конденсатора 13 и первым выводом шестого резистора 19, второй вывод которого подключен к катоду диода 14. Эмиттер третьего транзистора 7 соединен со вторым выводом первого резистора 7, а его база - с коллектором второго транзистора 9. Нагрузка постоянного напряжения импульсного стабилизатора (или импульсного преобразователя) 6 подключается к выходным клеммам 20. The voltage converter contains a diode bridge 1, the input terminals of which are connected to an alternating voltage network through the first capacitor 2. The positive output terminal of bridge 1 is connected to the first terminal of the second capacitor 3, the cathode of the first zener diode 4, and the emitter of the first transistor 5 pnp conductivity type, a collector connected to the positive input of the pulse stabilizer 6, and the base to the first terminal of the first resistor 7. Anode of the first zener diode 4 through the second resistor 8 is connected to the base of the second transistor 9 npn conductivity type, the collector of the third transistor 10 pnp conductivity type and the collector of the fourth transistor 11 npn conductivity type. The emitters of the transistors 9 and 11, as well as the fifth npn type transistor 12, are connected to the negative output terminal of the bridge 1, the second terminal of the second capacitor 3, the first terminal of the third capacitor 13 and the negative input of the stabilizer 6. The collector of the first transistor 5 is connected to the anode of the diode 14 and with the cathode of the second zener diode 15, the anode of which through the third resistor 16 is connected to the base of the fifth transistor 12, the collector through the fourth resistor 17 is connected to the base of the fourth transistor 11 and through the fifth resistor 18 to the connection point the second terminal of the third capacitor 13 and the first terminal of the sixth resistor 19, the second terminal of which is connected to the cathode of the diode 14. The emitter of the third transistor 7 is connected to the second terminal of the first resistor 7, and its base is connected to the collector of the second transistor 9. The constant voltage load of the pulse stabilizer ( or pulse converter) 6 is connected to the output terminals 20.

Временные диаграммы фиг. 2 соответствуют: 21 - диаграмма напряжения сети u_с(t) переменного напряжения, подаваемого на вход устройства; 22 - напряжение u_C3(t) на втором конденсаторе 3; 23 - напряжение u_бэ9 на переходе база-эмиттер второго транзистора 9; 24 - напряжение u_C13 в точке соединения пятого 18 и шестого 19 резисторов и третьего конденсатора 13; 25 - напряжение u_бэ11 база-эмиттер четвертого транзистора 11; 26 - напряжение u_кэ12 на коллекторе пятого транзистора 12.Timing diagrams of FIG. 2 correspond to: 21 is a diagram of the mains voltage u _with (t) an alternating voltage supplied to the input of the device; 22 - voltage u _C3 (t) on the second capacitor 3; 23 - voltage u _be9 at the base-emitter junction of the second transistor 9; 24 - voltage u _C13 at the junction point of the fifth 18 and sixth 19 of the resistors and the third capacitor 13; 25 - voltage u _BE11 base-emitter of the fourth transistor 11; 26 - voltage u _ke12 on the collector of the fifth transistor 12.

Преобразователь напряжения работает следующим образом. The voltage Converter operates as follows.

В момент времени t₀ в соответствии с временными диаграммами фиг. 2 на вход схемы подается (диаграмма 21) переменное напряжение сети u_с(t). Второй конденсатор 3 заряжается напряжением, выпрямленным диодным мостом 1. Закон увеличения напряжения на нем определяется сопротивлением первого конденсатора на частоте переменного напряжения сети. Когда напряжение на конденсаторе 2 достигнет величины U_вкл напряжения включения первого стабилитрона 4, в цепи базы второго транзистора 9 появится ток, ограничиваемый сопротивлением второго резистора 8 и обусловливающий его включение (диаграмма 23, фиг. 2). Это вызовет включение третьего транзистора 10 и, вследствие положительной обратной связи между этими двумя транзисторами, они останутся далее включенными независимо от последующего наличия или отсутствия сигнала на базе второго транзистора 9. Появляется базовый ток первого транзистора 5, величина которого определяется сопротивлением первого резистора 7, что определит появление в момент времени t₁ напряжения на входе импульсного стабилизатора 6. После переходного процесса снижения напряжения u_C3, обусловленного процессами пуска стабилизатора 6 и вхождением его в номинальный режим работы, напряжение на конденсаторе 3 установится и станет равным U_уст.At time t ₀ in accordance with the timing diagrams of FIG. 2, an alternating voltage u _s (t) is applied to the input of the circuit (diagram 21). The second capacitor 3 is charged by the voltage rectified by the diode bridge 1. The law of increasing the voltage on it is determined by the resistance of the first capacitor at the frequency of the alternating voltage of the network. When the voltage across the capacitor 2 reaches the value of U _on of the switching voltage of the first Zener diode 4, a current limited by the resistance of the second resistor 8 and causing it to turn on will appear in the base circuit of the second transistor 9 (diagram 23, Fig. 2). This will cause the third transistor 10 to turn on and, due to the positive feedback between the two transistors, they will remain on again regardless of the subsequent presence or absence of a signal based on the second transistor 9. The base current of the first transistor 5 appears, the value of which is determined by the resistance of the first resistor 7, which determine occurrence at time t ₁ the voltage at the input of the switching regulator 6. After the transition process of reducing u _C3 voltage caused stabilization processes start Ator 6 and entering it in the nominal operating mode, the voltage on the capacitor 3 will be set equal to U and _mouth.

Напряжение включения второго стабилитрона 15 меньше чем напряжение U_вкл, поэтому с появлением напряжения на входе стабилизатора 6 базовым током ограничиваемым сопротивлением третьего резистора 16 открывается пятый транзистор 12. Одновременно с этим через диод 14 и резистор 19 заряжается третий конденсатор 13 (диаграмма 24, фиг. 2) до напряжения, определяемого соотношением сопротивлений пятого 18 и шестого 19 резисторов.The turn-on voltage of the second zener diode 15 is less than the voltage U _on , so with the appearance of the voltage at the input of the stabilizer 6 with the base current limited by the resistance of the third resistor 16, the fifth transistor 12 opens. At the same time, the third capacitor 13 is charged through the diode 14 and resistor 19 (diagram 24, FIG. 2) to a voltage determined by the ratio of the resistances of the fifth 18th and sixth 19 resistors.

Если далее, при функционировании стабилизатора 6 в различных режимах работы напряжение u_C3 не снизится до величины U_выкл, изменений в работе схемы не происходит.If further, when the stabilizer 6 is operating in various operating modes, the voltage u _C3 does not decrease to U _off , there are no changes in the operation of the circuit.

После снятия в момент времени t₂ напряжения сети u_с(t) (диаграмма 21 фиг. 2) напряжение на входе стабилизатора 6 снижается (диаграмма 22). Когда оно достигнет значения напряжения U_выкл, выключится второй стабилитрон 15, что обусловит прекращение базового транзистора 12 и его последующее запирание. Напряжение на его коллекторе скачком увеличится до величины U_C13. В цепи базы четвертого транзистора 11 появится ток, ограничиваемый сопротивлением четвертого резистора 17. Транзистор 11 откроется и зашунтирует входную цепь второго транзистора 9, вызывая его запирание и последующее запирание третьего транзистора 10. Вследствие этого закроется первый транзистор 5, отключающий питание стабилизатора 6 в момент времени t₃. При этом продолжается разряд третьего конденсатора 13 в базовую цепь транзистора 11, что поддерживает его открытое состояние на протяжении времени t=t₄-t₃.After removing at time t _{2 the} voltage of the network u _with (t) (diagram 21 of Fig. 2), the voltage at the input of the stabilizer 6 decreases (diagram 22). When it reaches the voltage value U _off , the second zener diode 15 will turn off, which will cause the termination of the base transistor 12 and its subsequent locking. The voltage at its collector will jump up to U _C13 . A current limited by the resistance of the fourth resistor 17 will appear in the base circuit of the fourth transistor 11. The transistor 11 will open and shunt the input circuit of the second transistor 9, causing it to lock and then lock the third transistor 10. As a result, the first transistor 5 will shut off, disconnecting the power supply to the stabilizer 6 at a time t ₃ . This continues the discharge of the third capacitor 13 into the base circuit of the transistor 11, which maintains its open state for a time t = t ₄ -t ₃ .

Схема установится в исходное положение, соответствующее отсутствию напряжения u_с(t) на входе устройства. Далее, при последующем подключении переменного напряжения сети процессы повторяются аналогично.The circuit will be set to its initial position, corresponding to the absence of voltage u _с (t) at the input of the device. Further, during the subsequent connection of the ac mains voltage, the processes are repeated in the same way.

Введение третьего конденсатора 13 обусловлено необходимостью исключения влияния быстродействия транзисторов на возможность появления автоколебательных процессов при включении и выключении преобразователя напряжения. В частности, при включении устройства отсутствие начального тока базы транзистора 11 обеспечивается нулевыми начальными условиями заряда конденсатора 13. При выключении устройства замедление выключения транзистора 11 выполняется за счет предварительного заряда конденсатора 13 и наличием на нем напряжения после выключения первого транзистора 5, что обеспечивается диодом 19. The introduction of the third capacitor 13 is due to the need to exclude the influence of the speed of transistors on the possibility of self-oscillating processes when turning on and off the voltage converter. In particular, when the device is turned on, the absence of the initial base current of the transistor 11 is ensured by the initial zero charge conditions of the capacitor 13. When the device is turned off, the turn-off of the transistor 11 is slowed by the preliminary charge of the capacitor 13 and the voltage on it after turning off the first transistor 5, which is provided by the diode 19.

Таким образом, в устройстве, изображенном на фиг. 2, имеется два уровня напряжения его срабатывания. Первый уровень обеспечивает включение импульсного стабилизатора при напряжении на его входе, равном U_вко, второй уровень задает отключение стабилизатора при напряжении U_выкл, где эти напряжения: U_вкл > U_выкл.Thus, in the device shown in FIG. 2, there are two voltage levels of its operation. The first level provides switching on of the pulse stabilizer at a voltage at its input equal to U _in , the second level sets switching off of the stabilizer at a voltage of U _off , where these voltages are: U _on > U _off .

Следовательно, изобретение дает возможность повысить надежность работы преобразователя напряжения и, как следствие, расширить функциональные возможности его применения. Therefore, the invention makes it possible to increase the reliability of the voltage converter and, as a result, expand the functionality of its application.

Claims

A voltage converter containing transistors, resistors, capacitors, zener diodes, a diode and a diode bridge, the inputs of which are connected to an alternating voltage through the first capacitor, the positive output terminal of the diode bridge is connected to the cathode of the first zener diode, the first terminal of the second capacitor and the emitter of the first transistor, whose collector connected to the positive input of the pulse stabilizer, the negative input connected to the negative output terminal of the diode bridge and with the second terminal of the second to a capacitor, the base of the first transistor connected to the first output of the first resistor, and the anode of the first zener diode connected to the first output of the second resistor, characterized in that the second output of the second resistor is connected to the connection point of the base of the second and collectors of the third and fourth transistors, the emitter of the third transistor is connected to the second output of the first resistor, and its base is connected to the collector of the second transistor, an emitter connected to the emitters of the fourth and fifth transistors, the first output of the third a sensor with a negative input of the pulse stabilizer, the collector of the first transistor connected to the anode of the diode and to the cathode of the second zener diode, the anode through the third resistor connected to the base of the fifth transistor, the collector of which through the fourth resistor is connected to the base of the fourth transistor, and also to the first output of the fifth resistor , the second terminal connected to a common point of the second terminal of the third capacitor and the first terminal of the sixth resistor, the second terminal of which is connected to the cathode of the diode.