SU1621011A2 - Способ импульсной стабилизации двухтактного статического преобразовател посто нного напр жени в посто нное или переменное напр жение - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике , в частности к преобразовательной технике , и может быть использовано в источниках вторичного электропитани . Целью изобретени   вл етс  уменьшение нестабильности выходного напр жени  от изменени  входного напр жени  без ухудшени  КПД. Bxoff Регулирование выходного напр жени  осуществл етс  путем изменени  коэффициента заполнени  полупериодов переменного пр моугольного напр жени  преобразорате- л  10. Длительность паузы в управл ющем напр жении, формируемом с помощью ши- ротно-импульсного модул тора, зависит от длительности полупериода, т. е. от частоты задающего генератора 1. Повышение коэффициента стабилизации выходного напр жени  обеспечиваетс  за счет изменени  частоты задающего генератора 1, а следовательно , и частоты сравниваемых пилообразного и пр моугольного опорного напр жений , используемых дл  формировани  управл ющего напр жени  преобразовател  10, в обратно пропорциональной зависимости от изменени  величины входного напр жени . Преобразователь 10 сохран ет высокий КПД, т. к. операци  управлени  частотой не требует дополнительной электроэнергии . ил. Ј (Л

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразованию и стабилизации параметров электрической энергии, может быть использовано в системах электропитания радиоэлектронной аппаратуры при необходимости получения постоянных стабилизированных напряжений из более низких постоянных нестабилизированных напряжений (3—10 В) при предъявлении повышенных требований к коэффициенту полезного действия.

Целью изобретения является уменьшение нестабильности выходного напряжения от изменения входного напряжения без ухудшения КПД.

На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Способ осуществляется следующим образом.

Операция сравнения измеряемого напряжения, преобразуемого в переменное двухполярное пилообразное, амплитуда которого пропорциональна входному напряжению, с опорным переменным напряжением прямоугольной формы осуществляется попеременно в обеих полярностях. В результате формируют в момент превышения по абсолютному значению пилообразного напряжения над опорным сигналы запрета на работу соответствующего транзистора преобразователя, действовавшего с начала данного полупериода. Затем отключают опорное напряжение и, выявив момент смены полупериода, снова возобновляют формирование опорного напряжения, полярность которого в новом полупериоде изменяется на противоположную, чтобы можно было сравнивать его с пилообразным напряжением, также изменившим полярность, и выработать запрет работы второго транзистора преобразователя, симметричного первому.

Частоту сравниваемых пилообразного и прямоугольного опорного напряжений изменяют в обратно пропорциональной зависимости от изменения величины входного напряжения, чем дополнено регулирование скважности широтно-модулированных сигналов путем управления их длительностью с момента их появления, причем управляемым становится и момент их окончания. Длительность сигналов запрета и соответствующих им пауз в прямоугольном напряжении становится зависимой только от уровня измеряемого (входного) напряжения, что позволило исключить дестабилизирующий фактор, не учитываемый способом по основному изобретению, благодаря чему повышается коэффициент стабилизации.

Операция управления частотой сравниваемых переменных напряжений энергетически более выгодна по сравнению с другими, обеспечивающими высокий коэффициент стабилизации, так как для ее осуществления практически не требуется добавочная электрическая энергия.

Изменение частоты сравниваемых переменных напряжений в нужном направлении наиболее рационально проводить путем управляемого воздействия на элемент возбуждения колебаний переменного тока (на задающий генератор).

Устройство, реализующее способ, содержит задающий генератор 1 прямоугольного напряжения с логическими инверторами 2, 3 и первой интегрирующей /?С-цепью 4, выполненной на первом конденсаторе 5, первом 6 и втором 7 резисторах, первый 8 и второй 9 логические элементы 2И-НЕ, преобразователь 10 с транзисторами 11, 12 и выходным трансформатором 13, имеющим первичную обмотку 14, вторичную обмотку 15, первую 16 и вторую 17 служебные обмотки, выпрямитель 18, фильтр 19, источник 20 двухполярного опорного напряжения, вторую RCцепь21 с вторым конденсатором 22 и третьим резистором 23, двухтактный широтно-импульсный модулятор 24 с р-п-р транзистором 25 и п-р-п транзистором 26, четвертым 27 и пятым 28 резисторами, инвертирующий формирователь 29 и неинвертирующий формирователь 30.

В задающем генераторе 1 между выходами логических инверторов 3 и 2 включены последовательно соединенные конденсатор 5 и резистор 6 /?С-цепи 4, между общей точкой которых, являющейся, выходом /?С-цепи, и общим проводом устройства включены последовательно соединенные резистор 7 и обмотка 17 трансформатора 13. Первые входы логических элементов 2И-НЕ 8, 9 подключены соответственно к первому и второму взаимно инверсным выходам задающего генератора 1. Вторые входы логических элементов 2, 3 подключены к выходам формирователей 29, 30. Выходы логических элементов подключены к базовым цепям транзисторов 11, 12 преобразователя 10. Вторичная обмотка 15 трансформатора 13 через выпрямитель 18 и фильтр 19 соединена с выводами для подключения нагрузки. Первый и второй выходы широтно-импульсного модулятора 24, которыми являются коллекторы транзисторов 25 и 26, подключены к входам инвертирующего 29 и соответственно неинвертирующего 30 формирователей. Первый вход широтно-импульсного модулятора 24, являющийся общей точкой эмиттеров транзисторов 25, 26 соединен с выходом /?С-цепи 21, а второй, соединенный с базами транзисторов 25, 26, через резисторы 27, 28 подключен к выходу источника 20 двухполярного опорного напряжения. Входы /?С-и.епи 21 и источника опорного напряжения подключены к служебной обмотке 16 трансформатора 13.

Устройство работает следующим образом.

Существует две ветви заряда конденсатора 5: первая — через резистор 6 от выхода логического инвертора 2 и вторая — через резистор 7 от обмотки 17 трансформатора 13, на которой в процессе работы преобразователя 10 имеется двухполярное (относительно общего провода устройства) переменное прямоугольное напряжение с неполным заполнением полупериодов. Во время существования на этой обмотке напряжения (в части полупериода), которое с момента своего появления имеет ту же фазу, что и напряжение на первом выходе задающего генератора 1, конденсатор 5 заряжается быстрее, чем если бы он заряжался, как в прототипе, только через резистор 6. Полупериод задающего генератора 1 закончится, как и в прототипе, тогда, когда напряжение на выходе /?С-цепи 4 придет к значению, соответствующему логическому состоянию выхода первого логического инвертора 2. С этого момента начинается новый полупериод задающего генератора 1, в течение которого конденсатор 5 будет перезаряжаться.

Если бы на обмотке 17 было напряжение с полным заполнением полупериодов (типа «меандр»), то увеличение скорости заряда конденсатора 5 было бы эквивалентно уменьшению величины сопротивления резистора 6 первой (основной) ветви заряда конденсатора 5. Неполное заполнение полупериодов (широтно-импульсная модуляция) ведет к изменению скорости заряда (перезаряда) конденсатора 5 в зависимости от коэффициента заполнения полупериодов. Чем больше этот коэффициент, тем большую часть полупериода действует вторая ветвь заряда (перезаряда) конденсатора 5 и тем больше частота генерации, потому что напряжение конденсатора /?С-цепи 4, перезаряжающегося суммарным током обеих ветвей, раньше достигнет уровня переключения задающего генератора. Такое положение соответствует понижению преобразуемого входного напряжения, так как широтно-импульсный модулятор 24 регулирует коэффициент заполнения по принципу «равных площадей». По мере повышения входного напряжения коэффициент заполнения полупериодов становится меньше и действие второй ветви ограничивается во времени. Частота колебаний задающего генератора 1 понижается, причем несмотря на то, что в сокращающиеся промежутки времени действия второй ветви напряжение источника тока по этой ветви (обмотки 17) повышается и ток заряда (перезаряда) конденсатора 5 увеличивается. Здесь играет роль то обстоятельство, что на нерабочих участках полупериодов (когда напряжение на обмотке 17 равно нулю) через резистор 7 второй ветви возникает цепь разряда, и тот добавочный заряд, который был получен на коротких, но быстрых участках его получения, будет утерян в нерабочих участках полупериодов (во время пауз широтно-импульсного модулятора 24). Поэтому с ростом входного напряжения вклад второй ветви в процесс перезаряда конденсатора 5 снижается, что влечет за собой понижение частоты.

Регулирование коэффициента заполнения (ширины импульсов), как и в основном изобретении, состоит в том, что с началом каждого полупериода задающего генератора 1:

—подается напряжение логической единицы на первый вход одного из логических элементов 2И-НЕ 8 или 9, на вторые входы которых одновременно поступает напряжение логической единицы от формирователей 29, 30;

— начинает работать источник 20 двухполярного опорного напряжения, полярность напряжения которого в каждом полу периоде изменяется на противоположную относительно предшествующего полупериода, а форма которого прямоугольная;

—от служебной обмотки 16 выходного трансформатора 13 преобразователя 10 производится' заряд (перезаряд) конденсатора 22 /?С-цепи 21 через резистор 23, а так как постоянная времени этой цепи выбирается больше наиболее возможной длительности полупериода задающего генератора 1. то колебания на выходе этой цепи имеют вид пилообразного двухполярного напряжения.

Нарастание пилообразного напряжения, как и его спадание в следующем полупериоде длится до тех пор, пока оно не достигнет напряжения источника 20 двухполярного опорного напряжения. Как только это произойдет, двухтактной широтно-импульсный модулятор 24 сформирует попеременно на обоих своих выходах разнополярные импульсы, полярность которых та же, что и напряжение на конденсаторе 22. Импульсы положительной полярности с первого выхода широтно-импульсного модулятора 24, к которому подключен коллектор р-п-р транзистора 25, поступая на вход инвертирующего формирователя 29, обращают в нуль напряжение на втором входе первого логического элемента 2И-НЕ 8, а импульсы отрицательной полярности с второго выхода широтноимпульсного модулятора 24, к которому подключен коллектор п-р-п транзистора 26, через неинвертирующий формирователь 30 устанавливают в течение следующего полупериода логический нуль на втором входе второго логического элемента 9. Выходные импульсы широтно-импульсного модулятора 24 являются результатом сравнения на база-эмиттерных переходах транзисторов 25, 26, опорного напряжения и напряжения RCцепи 21, выход которой соединен с базами транзисторов 25, 26 через резисторы 27, 28.

С появлением импульсов широтно-импульсного модулятора 24 прерывается текущий полупериод преобразователя 10, исчезает опорное напряжение и начинается разряд конденсатора 22, причем спадающее напряжение разряжающегося конденсатора доминирует над нулевым уровнем опорного напряжения. Импульсы широтно-импульсного модулятора 24 посредством формирователей 29, 30 поддерживают-состояние логического нуля на вторых входах логических элементов 8, 9 до окончания текущего полупериода задающего генератора 1. После смены полупериода этого генератора процесс повторяется на другом выходе широтноимпульсного модулятора 24 и втором входе другого логического элемента 2И-НЕ.

Широтно-модулированные управляющие сигналы в виде логического нуля, попеременно появляющиеся на выходах логических элементов 8, 9, открывают транзисторы 11, 12 преобразователя 10, нагруженные на обмотку 14 его выходного трансформатора 13. Напряжение с обмотки 15 последнего через выпрямитель 18 и фильтр 19 поступает в нагрузку.

Время заряда конденсатора 22 /?С-цепи 21 до уровня опорного напряжения в каждом полупериоде не зависит от частоты. Следовательно, с увеличением длительности полупериодов задающего генератора 1 (при повышении входного напряжения) увеличивается длительность импульсов широтноимпульсного модулятора 24 и пауз в широтно-модулированном напряжении на обмотках трансформатора 13. Коэффициент заполнения в полупериодах прямоугольного напряжения преобразователя 10 уменьшается. Таким образом, при повышении или понижении входного напряжения выходное напряжение устройства (на выходе фильтра 19) регулируется в противоположном направлении — дополнительно к тому эффекту регулирования, который имеет место в основном изобретении, и усиливает его. Такое усиление имело бы место и в том случае, если бы частота задающего генератора 1 стала стабильной, но еще больше усиливается эффект, когда частоте придается обратный знак изменения относительно приращения входного напряжения.

Поставив, таким образом, частоту задающего генератора 1, а значит, и частоту сравниваемых пилообразного и прямоугольного опорного напряжений, синхронизированных с задающим генератором 1, в обратно пропорциональную зависимость от изменения величины входного напряжения, получаем увеличение коэффициента стабилизации, который достигает такого же значения, как и в случае использования усилителя рассогласования для сравнения напряжения, пропорционального стабилизируемому параметру, с его эталонным значением (усилителя обратной связи). Такой усилитель теперь может отсутствовать даже при повышенных требованиях к стабильности выходного напряжения устройства в условиях больших колебаний уровня входного напряжения.

Следовательно, экономится электрическая энергия для питания этого усилителя и требующегося при этом элемента гальванической развязки, оптронного резистора, с помощью которого можно изменять скорость заряда конденсатора 7?С-цепи для получения пилообразного напряжения, чтобы таким путем повысить коэффициент стабилизации.

Устройство, реализующее способ, представленное на чертеже, характеризуется управлением частотой задающего генератора 1 от обмотки 17 трансформатора 13 преобразователя 10.

С уменьшением входного напряжения увеличивается частота колебаний задающего генератора 1 и, следовательно, уменьшается длительность его периодов (полупериодов) ; так как при этом увеличивается коэффициент заполнения полупериодов напряжения на обмотках трансформатора 13, в том числе на обмотке 17, то это влечет за собой дальнейшее увеличение частоты, а это в свою очередь увеличивает коэффициент заполнения на обмотке 17 и т. д. Имеет место, таким образом, тенденция к лавинообразному процессу, при котором частота сразу с момента включения принимает максимально возможное значение, при котором выходное напряжение преобразователя 10 становится прямоугольным без широтно-импульсной модуляции, а выходное напряжение устройства (после фильтра 19) — максимально возможным и нестабилизированным. Однако этот процесс развиться не может, так как ведет к увеличению длительности заполненной части полу периодов на обмотке 16 и одновременно к формированию импульсов большей длительности на выходах широтноимпульсного модулятора 24, прерывающих открытое состояние транзисторов 11, 12 преобразователя 10. Наступает состояние равновесия между процессами регулирования частоты и ширины импульсов. По мере уменьшения напряжения на обмотке 16 трансформатора 13 снижается уровень напряжений, снимаемых с выхода 7?С.-цепи 21 и с выходов широтно-импульсного модулятора 24. Коэффициент усиления тракта регулирования ширины уменьшается, поэтому условие равновесия может нарушиться и устройство выйдет в режим максимальных частоты (при данном входном напряжении) и выходного напряжения (без широтно-импульсной модуляции). Происходит скачок выходного напряжения, понижавшегося до этого момента по мере уменьшения входного напряжения (с определенным коэффициенте·.·, стабилизации). При дальнейшем уменьшении входного напряжения, выходное снова начнет линейно спадать, так как процесс, стабилизации уже окончился.

Скачок выходного напряжения, которым сопровождается окончание процесса стабилизации, может отсутствовать, если увели1621011 чить выходные токи широтно-импульсного модулятора 24, инвертирующего 29' и неинвертирующего 30 формирователей, однако КПД при этом ухудшится, так как увеличится внутреннее потребление электрической энергии в стабилизированном преобразователе. Оптимальный КПД получается при реализации указанного явления, если значение выходного напряжения, до которого оно повышается в момент окончания процесса стабилизации, не будет превышать начальное выходное напряжение, соответствующее максимальному входному напряжению.

Возможен также выбор рабочего участка (изменения входного напряжения), не включающий в себя зону вблизи окончания процесса стабилизации, на котором будет монотонное убывание выходного напряжения (с определенным коэффициентом стабилизации) от уменьшения входного напряжения.

Энергия, рассеиваемая во второй ветви заряда конденсатора первой /?С-цепи 4, входящей в задающий генератор, несоизмеримо мала, суммарная энергия, рассеиваемая первой и второй ветвью, такая же. как если бы /?С-цепь 4 имела один резистор, а задающий генератор 1 работал на средней частоте того диапазона, в котором она изменяется в предлагаемом решении.

Получается также экономия электрической энергии в стабилизированной системе преобразователь — потребитель, так как с уменьшением разброса напряжения, подаваемого потребителю, исключается возмож10 ность потребления избыточного тока, который возникает при повышении напряжения.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Способ импульсной стабилизации двухтактного статического преобразователя постоянного напряжения в постоянное или переменное напряжение по авт. св. № 1495767 отличающийся тем, что, с целью уменьшения нестабильности выходного напряжения от 20 изменения входного напряжения без ухудшения КПД, частоту задающего генератора изменяют в обратно пропорциональной зависимости от изменения величины входного напряжения.