SU1493987A1 - Импульсный стабилизатор переменного напр жени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике ,в частности, к устройствам регулировани  переменного напр жени , и может быть использовано дл  питани  различной радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретени  - увеличение К.П.Д и уменьшение пульсаций входного тока. При отклонении сетевого напр жени  от номинального значени  блок 10 сравнени , воздейству  на широтно-импульсный модул тор 11, обеспечивает попеременное открывание соответствующих ключевых элементов. Стабилизаци  осуществл етс  автоматически изменением соотношени  между длительност ми импульса одновибратора 15 и паузы генератора 13. Увеличение К.П.Д стабилизатора происходит за счет уменьшени  потерь мощности на ключевых элементах. Пульсации входного тока снижены благодар  использованию на входе дроссел . Кроме того, достоинством стабилизатора  вл етс  снижение предельных требований к ключевым элементам за счет снижени  максимального тока через ключевые элементы и напр жени  на них в закрытом состо нии. 2 ил.

Description

1

0 0

СО

о

00

ьУ..УГ

..

//

и 2

3149

И:)обретение относитс  к электротехнике , в частности к устройствам регулировани  переменного напр жени , и может быть использовано дл  нитани  различной радиоэлектронной агтаратуры.

Цель изобретени  - увеличение КПД и уменьшение пульсаций входного тока

На фиг,1 представлена схема им- пульсного стабилизатора переменного напр жени ; на фиг.2 - схема пшротно- импульсного модул тора с подключенным к ней блоком сравнени .

Стабилизатор содержит дроссель 1, ключевые элементы 2-6, дополнительные конденсатор 7 и дроссель 8, конденсатор 9, блок 10 сравнени  и ши- ротно-импульсньй модул тор 11. Нагрузка 12 подключена к выходным выво- дам.

Широтно-импульсный модул тор 11 (фиг.2) содержит последовательно соединенные генератор 13, дифференцирующую цепочку 14 и одновибратор 15с регулируемой длительностью импульса, логические  чейки И 16 и 17, ИЛИ-НЕ 18, RS-триггер 19 и логический сумматор 20. Входы логических  чеек 16 и 17 соединены соответственно с пр мы- ми и инверсными входами генератора 13 и одновибратора 15, управл ющий вход которого подключен к входу ши- ротно-импульсного модул тора 11. Выходы  чеек 17 и 16 соединены соответ- ственно с входами R и S триггера 19 с первым и вторым входами сумматора 20, подкл)ченного третьим входом к выходу триггера 19, и с входами  чейки ИЛИ-НЕ 18. Выходы логических  че- ек 16, 17 и 18, инверсный и пр мой и выходы логического сумматора 20  вл ютс  соответственно первым, вторым , третьим, четвертым и п тым выходами широтно-импульсного модул то- ра 11 .

Блок 10 сравнени  содержит, например , датчик 21 амплитуды выходного напр жени  и регулируемый источник 22 напр жени  (например, дифференци- апьный усилитель, один из входов которого соедннен с опорным напр жени- ем, а второй - с выходом датчика 21)

Первые выводы ключевых элементов 2, 3 и 4 подключены через дополни- тельный дроссель 1 к входному выводу а вторые выводы этих ключевых элементов соединены соответственно с общей шиной, с первым выводом дополнительного конденсатора 7, второй вывод которого иодк.чючен к об1чей шине, и с псрьым- вынодом дроссел  .Я, который через ключевые элементы 5 и 6 подключен соотнетственно к первом / и второму выводам конденсатора 7. Второй вывод дроссел  8 соединен с выходным выводом. ежду вькодным выводом и общей шиной подключены конденсатор 9, нагрузка 12 и вход блока 10 сравнени , выходом соединенный с входом широтно-импульсного модул тора 11. Первый, второй, третий, четвертый и п тый выходы широтно-импульсного модул тора 11 выполнены гальванически разв занными (например с помощью оптронов) и соединены соответственно с управл ющими 6, 2, 4, 3, 5 ключевых элементов. Ключевые элементы 2-6 выполнены двухпол рны- ми, например, транзистор, включенный в диагональ диодного выпр мительного моста.

Стабилизатор работает следующим образом.

Частота переключени  ключевых элементов во много раз превышает частоту сети, причем при напр жении сети выше номинального ключевой элемент 2 всегда закрыт. При этом, блок 10 дл  сравнени  и широтно-импульсный модул тор 11 обеспечивает попеременное открывание ключевых элементов одновременно 4,5 и 3,6. Поэтому конденсатор 7 всегда подключен к первому выводу дроссел  I через открытые ключевые элементы либо 3, либо 4 и 5

В результате дроссель 1 и конденсатор 7 образуют фильтр низких час-( тот, (причем номиналы дроссел  1 и конденсатора 7 выбраны так, чтобы частота среза этого ф1шьтра была больше частоты сети и меньше частоты переключени  ключевых элементов), низкочастотна  составл юща  выходного напр жени  которого равна напр жению сети. При этом, на вход фильтра , образованного дросселем 8 и конденсатором 9, поступают высокочастотные импульсы напр жени , огибающа  которых представл ет синусоиду, частота которой равна частоте питающей сети. В момент открытого состо ни  ключевых элементов 4 и 5 конденсатор 9 и дроссель 8 накапливают энергию, причем часть энергии поступает от сети через дроссель 1 и ключевой элемент 4, а остальна  часть - от

ко)1де11сатора 7 через ключевой элемент 5. При чакрыванни ключевых элементов А и 5 открываютс  ключевые элементы 3 и 6, конденсатор 7 зар жаетс  от сети через дроссель 1 и ключевой элемент 3, а дроссель 8 разр жаетс  на конденсатор 9 и нагрузку 12. Следовательно, в момент паузы напр жение на нагрузке 12 поддерживаетс  за счет энергии, запасенной в дросселе 8 и конденсаторе 9. Таким образом, происходит преобразование высокочастотных импульсов напр жени , поступающих на вход фильтра, образованного дросселей 8 и конденсатором 9, в переменное напр жение с частотой сети. При этом, номиналы емкости конденсатора 9 и индуктивности дроссел  8 выбираютс  так, чтобы частота среза фильтра была больше частоты сети и меньше частоты переключени  ключевых элементов.

Амплитуда выходного }{апр у ени  определ етс  скважностью работы ключевого элемента 5. 2 режиме стабилизации длительность импульсов тока через ключевой элемент 5 регулируетс  автоматически блоком 10 сравнени  и широтно-импульсным модул тором 11, поддержива  на нагрузке 12 напр жени  с посто нной амплитудой.

При напр жении сети меньше номинального блок 10 сравнени , воздейству  на широтно-импульсньй модул тор 11, обеспечивает попеременное открывание ключевых элементов одновременно 2, 5 и 3, Аи закрытое состо ние ключевого элемента 6. При открытых ключевых элементах 2 и 5 дроссель 1 накапливает энергию от сети через элемент 2, а конденс атор 7 разр жаетс , отдава  свою энергию в нагрузку 12 через ключевой элемент 5 и фильтр, образованный дросселем 8 и-конденсатором 9. При закр1,1вании ключевых элементов 2 и 5 широтно-им- пульсный модул тор обеспечивает открывание ключевых элементов 3 и 4. При этом, частъ энергии, поступающей от сети через дроссель 1, через ключевой элемент 4 и фильтр, образованный дросселем 8 и конденсатором 9, поступает в нагрузку 12, а остальна  часть - через ключевой элемент 3 г зар жает конденсатор 7.

При закрьшании ключевых элементов 3 и 4 открываютс  ключевые элементы 2 и 5 и весь процесс вновь повтор ет0

5

с . в результате этого на выходе стабилизатора по вл етс  напр жение с частотой сети.

Величина этого напр жени  определ етс  скважностью импульсов тока, через ключевой элемент 2, Посто нна  амплитуда напр жени  на выходе поддерживаетс  автоматически блоком 10 сравнени  и широтно-импульсным модУ л тором 11, которые регулируют дли- тельность импульсов тока через ключевой элемент 2.

Блок 10 сравнени  работает следующим образом.

Напр жение с выхода стабилизатора поступает на вход датчика 21 амплитуды выходного напр жени , а с его выхода сигнал, пропорциональный амплитуде выходного напр жени , поступает на управл ющий вход регулируемого источника напр жени , в котором происходит сравнение величины управл ющего напр жени  с эталонным, а его

5 выходное напр жение линейно зависит от разности этих напр жений . Это напр жение поступает на вход широт- но-импульсного модул тора 1I и управл ет его работой.

Широтно-импульсный модул тор 1I работает следующим образом.

Напр жение с выхода блока 10 сравнени  поступает на управл ющий вход одновибратора 15 с регулируемой дли тельностью импульса, запуск которого осуществл етс  по заднему фронту импульса генератора 13 дифференцирующей цепочкой 14. При этом, если длительность паузы генератора меньше, чем длительность импульса одновибратора дл  сигналов, снимаемых с их пр мых выходов, происходит перекрытие импульсного генаратора и одновибратора , и на выходе логической  чейки И 16, на входы которой поступают сигналы с пр мых выходов генератора 13 и одновибратора 15, периодически по вл етс  сигнал логической единицы. Длительность импул ьсов напр жени  на выходе логической  чейки 16 равна разности длительностей имг пульса одновибратора и паузы генератора . На выходе логической  чейки 17, на входы которой подаютс  сигналы с

5 инверсных выходов генератора и одновибратора , при таких услови х пос- .то нно поддерживаетс  единичный логический уровень, а логические уровни на выходе  чейки И 16 и инверсном

0

5

0

5

0

выходе логического сумматора 20 совпадают и противоположны логическим уровн м на выходе  чейки ИЛИ-НЕ 18 и пр мом выходе сумматора 20, которые совпадают между собой.

Если же длительность паузы генератора 13 больше, чем длительность импульсов одновибратора 15, то напр жение логической единицы будет периодически по вл тьс  на выходе логической  чейки И 17, а на выходах логи-: ческой  чейки И 16 и триггера 19 будет посто нно поддерживатьс  напр жение логического нул . При этом, логические уровни на выходе  чейки И 17 в пр мом выходе сумматора 20 совпадают и противоположны логическим уровн м на выходе  чейки ИЛИ-НЕ 18 и инверсном выходе логического сумматора 20. Длительность импульсов на выходе логической схемь; И 17 равна разности длительностей паузы генератора и импульса одновибратора.

Таким образом, мен   длительность иг- пульса одновибратора 15 можно осуществл ть стабилизацию выходного напр жени , сделав уровень логической единицы напр жением, открывающим ключевые элементы. Причем, если напр жение сети больше номинального, длительность импульса сднсвибратора больше длительности паузы генератора и, следовательно, ключевой элемент 2 будет посто нно закрыт, а ключевые элементы попарно 3, 6 и 4 5 будут периодически переключатьс .

При напр жении иети меньше номинального длительность импульсов одновибратора становитс  меньше длительности паузы генератора, и в результате этого ключевой элемент 6 будет посто нно закрыт, а ключевые элементы попарно 2, 5 и 3, 4 будут периодически переключатьс .

Стабилизаци  осуществл етс  автоматически изменением соотношени  между длительност ми импульса одновибратора 15 и паузы генератора 13.

Предложенна  схема позвол ет увеличить КПД стабилизатора за счет уменьшени  потерь мощности на ютюче- вых элементах. Это объ сн етс  тем, что суммарные потери на открытьос ключевых элементах, np)j прочих равных услови х пропорциональны сумме токов через эти ключевые элементы.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

В известной схеме сумма токов через открытые ключевые элементы равна удвоенному току нагрузки при напр жении сети больие номинального и удвоенному входному току при напр жении сети меньше номинального.

В предложенном устройстве большую часть В1 емени открыты либо юпочевые элементы 4 и 5 (ири напр жении сети больие номинального), суммарный ток через которые равен току нагрузки , либо ключевые элементы 3 и 4 (при напр жении сети меньше номинального ), суммарный ток через которые равен входному току. При открытых ключевых элементах либо 2 и 5, либо 3 и 6 суммарный ток равен сумме входного тока и тока нагрузки. Поэтому суммарный ток через открытые ключевые элементы в предложенной схеме всегда меньше, чем в схеме-прототипе, а, следовательно, предложенна  схема обладает большим КПД.

Кроме того, достоинством предложенной схемы  вл етс  значительное уменьшение пульсаций входного тока (из-за использовани  на входе стабилизатора дроссел  1) по сравнению с прототипом, где входной ток имеет вид импульсов, амплитуда которых ; приблизительно равна току нагрузки.

Еще одним достоинством предложенной схемы  вл етс  тот факт, что ключевые элементы в ней должны быть расчитаны на максимальньй входной ток стабилизатора (в открытом состо нии ) и максимальное входное напр жение (ы закрытом состо нии), в отличие от известной схемы, в которой ток максимальный через ключевые элементы и напр жение на них в закрытом состо нии по крайней мере вдвое больше . Из-за нидуктивностей рассеивани  полуобмоток дроссел  на ключевых элементах прототипа возможны перенапр жени , проектирование этих элементов сложнее, а стоимость их больше, чем в предложенной схеме.

Таким образом, предложенное устройство обладает большим КПД (за счет меньших динамических потерь), уменьшенными пульсаци ми входного тока и сниженными (вдвое) предельными требовани ми к ключевым элементам .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Импульсный стабилизатор переменного напр жени , содержащий первый

   ключевой элемент, iiepubii i и второй выводы которого подключены через второй и третш ключевые элементы к общей шине, дроссель, включенный между вторым вьшодом периого ключе- вого элемента и выходным выводом, конденсатор, подключенный к выходным выводам, с которыми соединен также вход блока сравнени , выходом подключенного к входу широтно-импульс- ного модул тора, выходы которого подключены к управл ю1чим входам соответствующих ключевых элементов, причем широтно-импульсный модул тор состоит из генератора, пр мой выход которсгр через дифференцирующую цепочку соединен с запускающим входом одновибратора, управл ющий вход которого подключен к входу о;иротно- импульсного модул торе, двух  чеек И, входы первой из которых соединены с пр мыми, входы второй - с инверсными выходами генератора и одновибратора , а выходы подключены соответственно к первому и второму выходам широтно-импульсного модул тора, о т- лнчающийс  тем, что, с целью увеличени  КПД и уменьшени  пульсаций входного тока, в него введены дополнительный дроссель, четвертый и п тый ключевые элементы и

   лополнительныи конденсатор, причем дополнительный дроссель включен между входным выводом и первым выиодом первого к.чючевого элемента, первьп и второй выводы которого подключены соответственно через четвертьЛ и п тый ключевые элементы к первому выводу дополнительного конденсатора, второй вьюод которого соединен с общей шкной, кроме того, широтно-импульсный модул тор снабжен RS-триг- гером,  чейкой ИЛИ-НЕ и логическим сумматором, при этом выходы первой и второй  чеек И подключены соответственно к входам R и S триггера , к первому и второму входам логического сумматора и к входам  чейки ИПИ-НЕ, соединенной выходом с третьим выходом широтно-импульсного модул тора, четвертый и п тый выходы которого подключены соответст- венно к инверсному и пр мому выходам сумматора, соединенного третьим вхо- дом с выходом RS-триггера, причем первый, второй, третий, четвертый и п тый вьосоды широтно-импульс:юго модул тора подключены соответствен- но к управл ющим входам третьего, второго, первого, четвертого, п того ключевых элементов.