SU1767649A1 - Однотактный преобразователь посто нного напр жени - Google Patents

Abstract

Использование: вторичные источники электропитани . Существо изобретени : преобразователь содержит силовой транзистор 1, силовой трансформатор 3 с базовой обмоткой 7, 8. Включение транзистора 1 выполн етс  короткими импульсами одновиб- ратора 22, а дальнейшее насыщенное его о состо ние, а также запирание осуществл ютс  включающим 4 и выключающим 10 транзисторами соответственно. Регулирование выходного напр жени  преобразовател  осуществл етс  двум  логическими инверторами 14 и 15 и врем задающей цепью 17 - 19, Открывание включающего транзистора 4 происходит после по влени  положительного напр жени  на полуобмотке 7, а его выключение - после зар да конденсатора 17 до порогового напр жени  инвертора 15. Выключающий транзистор 10 остаетс  включенным до окончани  процессов рассасывани  транзистора 1. Когда транзистор 1 запираетс , пол рности напр жений на полуобмотках 7 и 8 измен ютс , и снимаетс  питание с инверторов 14,15. Схема приходит в исходное состо ние. Далее процессы повтор ютс  аналогично 6 з.п.ф-лы, 6 ил. (Л С ч CN VJ ON Јь О

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , а именно к силовой преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве источника вторичного электропитани  дл  систем автоматики и электроники, которые питаютс  посто нными электрически изолированными напр жени ми.

- Извгестны однотактные преобразователи , содержащие силовой транзистор с силовым трансформатором и схему управлени . Подобные преобразователи обладают высокой стабильностью выходного напр жени , однахо схема управлени  у них сложна и требует наличи  трансформатора тока дл  переключени  силового транзистора. Это преп тствует микроминиатюризации источника вторичного электропитани .

Известны также однотактные преобразователи , у которых дл  формировани  импульсов управлени  силовым транзистором используютс  логические инверторы, а дл  ограничени  до требуемой амплитуды импульса коллекторного тока силового транзистора используетс  токоизмерительный резистор, включенный последовательно в силовую цепь, и соответствующий ограничивающий транзистор, базой и эмиттером подключенный параллельно этому резистору . Применение этого технического решени  дает возможность улучшить характеристики преобразовател .

Недостатком известных технических решений  вл етс  то, что дл  питани  схемы управлени  примен етс  первичный источник питани  или специальный маломощный преобразователь (стабилизатор). Это, с одной стороны, снижает КПД преобразовател , с другой - усложн ет схему, увеличивает количество элементов и снижает надежность работы, Названные недостатки снижают функциональные возможности .известных преобразователей в современных высокоэффективных источниках вторичного электропитани .

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей схемы однотакт- ного преобразовател  за счет того, что питание схемы управлени  осуществл етс  от базовой обмотки силового трансформатора , напр жение на которой может быть выбрано наиболее оптимальным поуровню, упрощаетс  схема преобразовател , уменьшаетс  количество элементов, снижаетс  мощность потерь и улучшаютс  услови  дл  микроминиатюризации.

Указанна  цель достигаетс  соответствующим соединением управл ющих транзисторов схемы управлени , состо щей из включающего и выключающего транзисторов , логических инверторов и порогового

элемента, а также изменением схемы одно- вибратора, который задает рабочую частоту преобразовани . Кроме того, прин ты меры дл  повышени  помехоустойчивости

преобразовател  и надежности его работы, а также стабильности выходного напр жени , что реализуетс  введением дополнительных элементов схемы и их св з ми с известными.

На фиг.1-5 приведены схемы однотакт- ных преобразователей посто нного напр жени ; на фиг.6 - временные диаграммы и процессы его работы.

Преобразователь на фиг.1 содержит силовой транзистор 1, коллектор которого через начало и конец первичной обмотки 2 силового трансформатора 3 подключен к положительной шине первичного Еп источника питани , а эмиттер - к его отрицательной

шине (общему полюсу). К базе транзистора 1 подключен эмиттер включающего транзистора 4, коллектором соединенного с включающей диодно-резистивной цепью, состо щей из элементов 5 и 6, другой вывод

которой подключен к началу базовой обмотки 7, 8 трансформатора 3. Средн   точка этой обмотки соединена с эмиттером транзистора 1, а конец - с катодом выключающего диода 9, анод которого подключен к

эмиттеру выключающего транзистора 10 и через замедл ющий конденсатор 11 соединен со средней точкой базовой обмотки 7, 8 трансформатора 3. Коллектор транзистора 10 через выключающий резистор 12подключен к базе транзистора 1, База транзистора 10 через выключающий пороговый элемент 13 соединена с выходом выключающего логического инвертора 14, входом подключенного к выходу включающего логического инвертора 15 и через базовый резистор 16 - с базой включающего транзистора 4. Вход логического инвертора 15 подключен к точке соединени  первых выводов врем задающего конденсатора 17, зар дного резистора 18 и разр дного резистора 19. Вторые выводы конденсатора 17 и резистора 19 подключены к средней точке базовой обмотки 7, 8, а второй вывод резистора 18 - к катоду зар дного диода 20, анодом

соединенного с началом базовой обмотки 7, 8. База силового транзистора 1 подключена к выходу 21 одновибратора 22, а коллектор транзистора 4 - к управл ющему входу одновибратора 22. Питающий вход 24 одновибратора 22 соединен с началом первичной обмотки 2 трансформатора 3.

Одновибратор 22 на фиг.1 состоит из последовательного транзистора 25, эмиттер которого подключен к точке соединени 

первых выводов балластного резистора 26 и

накапливающего конденсатора 27, второй вывод резистора 26 соединен с питающим входом 24, а второй вывод конденсатора 27 - со средней точкой базовой обмотки 7, 8 трансформатора 3. Кроме того, эмиттер транзистора 25 через первый диод 28 подключен к управл ющему входу 23 к катоду стабилитрона 2.9, анод которого подключен к управл ющему входу 23 к катоду стабилитрона 29, анод которого соединен с базой переключающего транзистора 30 и первым выводом релаксационного конденсатора 31, вторым выводом соединенного с коллектором транзистора 25 и через ограничивающий резистор 32 - с выходом 21. Коллектор транзистора 30 через коллекторный резистор 33 подключен к базе транзистора 25, а эмиттер транзистора 30 соединен со средней точкой базовой обмотки 7, 8 трансформатора 3.

Преобразователь на фиг.2 отличаетс  наличием разр дного транзистора 34, эмиттер и коллектор которого соответственно подключены к первому и второму выводам разр дного резистора 19, а база через разр дную последовательную диодно-рези- стивную цепь, состо щую из элементов 35 и 36, - к концу базовой обмотки 7,8 трансформатора 3. Кроме того, между входом и выходом логического инвертора 15 включен резистор 37 обратной св зи.

Преобразователь на фиг.З отличаетс  наличием токового резистора 38 (датчика тока), включенного последовательно в эмит- терную цепь силового транзистора 40, эмиттер которого подключен к средней точке базовой обмотки 7, 8, а коллектор через дополнительный резистор 41 - базе зар дного транзистора 42, коллектор и эмиттер которого подключены соответственно к первому и второму выводам зар дного резистора 18. Параллельно базе и эмиттеру силового транзистора 1 подключены коллектор и эммитер соответственно шунтирующего транзистора 43, база которого через управл ющую диодно-резистивную цепь, состо щую из элементов 44 и 45, соединена с концом базовой обмотки 7, 8 трансформатора 3.

Преобразователь на фиг.4 отличаетс  наличием стабилизатора посто нного напр жени  46, включенного между катодом зар дного диода 20 и питающим входом логических элементов 14 и 15.

Одновибратор на фиг.5 отличаетс  наличием дополнительного балластного резистора 47, включенного между первым выводом резистора 26 и эмиттером последовательного транзистора 25, а также последовательным соединением дополнительного стабилитрона 48 и дифференциального резистора 49, включенных между первым выводом резистора 26 и эмиттером переключающего транзистора

5 30.

На временных диаграммах фиг.6 показаны эпюры: 50 - напр жени  на накапливающем конденсаторе 27 одновибратора 22; 51 - напр жение на коллекторе последо0 вательного транзистора 25 одновибратора 22; 52 - базового тока силового транзистора 1; 53 - коллекторного тока силового транзистора 1; 54 - коллекторного напр жени  силового транзистора 1; 55 - напр жени  на

5 базовой полуобмотке 8 силового трансформатора 3; 56 - напр жени  на врем задаю- щем конденсаторе 17; 57 - выходного напр жени  выключающего логического инвертора 14.

0 Однотактный преобразователь посто нного напр жени  на фиг.1 работает следующим образом. Рассматриваютс  процессы работы в установившемс  режиме .

5 В исходном состо нии при наличии первичного напр жени  Еп все транзисторы заперты . С момента времени t 0 до t to происходит зар д накапливающего конденсатора 27 от источника Еп (см. эпюру 50

0 фиг.6). Напр жение питани  на логические инверторы не подаетс .

Когда напр жение на конденсаторе 27 достигает уровн  напр жени  DCT стабилизации стабилитрона 29, последний включа5 етс  и открывает транзистор 30. Это приводит к включению транзистора 25 и быстрому разр ду конденсатора 27 на базо- эмиттерный переход силового транзистора 1 через ограничивающий резистор 32 схемы

0 одновибратора 22 (эпюры 51 фиг.6). Дл  того , чтобы транзисторы 30, а также 25 не запирались после снижени  напр жени  на конденсаторе 27 и стабилитроне 29, имеетс  релаксационный конденсатор 31, кото5 рый на прот жении времени наличи  импульса напр жени  на выходе одновибратора 22 поддерживает транзистор 30 в открытом состо нии. После разр да конденсатора 27 транзистор 30, а за ним и 25 запи0 раютс .

Таким образом, в момент времени to формируетс  короткий импульс тока базы силового транзистора 1, открывающий его и привод щий к по влению коллекторного то5 ка (эпюры 52 и 53 фиг.6). Открывание транзистора 1 (эпюра 54) приводит к по влению на базовой обмотке 7 трансформатора 3 напр жени  положительной пол рности,а на базовой обмотке 8 - напр жени  отрицательной пол рности (эпюра 55). Пол рности

напр жени  на обмотках рассматриваютс  относительно ее средней точки. Очевидно, что эпюра напр жени  на обмотке 7 обрат- на по пол рности, показанной на эпюре 55. По вление положительного уровн  напр жени  на обмотке 7 вызывает по вление питающего напр жени  на логических инверторах 14 и 15 (через зар дный диод 20), начало зар да конденсатора 17 (через резистор 18 и диод 20) и на коллекторе транзистора 4 (через резистор 5 и диод 6). Пока напр жение на конденсаторе 17 мало, это равносильно нулевому уровню напр жени  на входе логического инвертора 15, что приводит к единичному (высокому) уровню его выходного напр жени , от которого через резистор 16 открываетс  транзистор 4. Далее силовой транзистор 1 остаетс  открытым и насыщенным оттока, создаваемого напр жением на базовой обмотке 7 трансформатора 3 (при открытом транзисторе

4).

После того как транзистор 4 открылс , необходимость в импульсе с выхода одно- вибратора 22 отпадает. Длительность импульса , требующегос  от одновибратора 22, определ етс  суммарным временем задержки: открывани  силового транзистора 1, по влени  положительной пол рности напр жени  на обмотке 7, распространени  сигнала через инвертор 15 и включени  транзистора 4.

После открывани  транзистора 4 первый вывод конденсатора 27 схемы одновибратора 22 оказываетс  зашунтированным через диод 28 на общий полюс. Поэтому, пока транзистор 4 открыт, зар д конденсатора 27 осуществл тьс  не может и он остаетс  разр женным. Этим предотвращаетс  по вление короткого импульса открывани  силового транзистора 1 на интервале его -открытого состо ни  и задаетс  определенна  функциональна  зависимость частоты следовани  коротких импульсов. Последующий зар д конденсатора 27 от напр жени  Еп может произойти только после запирани  транзистора 4.

Далее идет этап формировани  длительности импульса тока коллектора силового транзистора 1. Зар жаетс  конденсатор 17. Когда напр жение на нем достигает примерно половины напр жени  питани  инвертера 15, последний переключаетс , и на его выходе по витс  нулевой (низкий)уровень напр жени . Это приводит к запиранию транзистора 4, Интервал времени наличи  высокого уровн  напр жени  на выходе инвертора 15 обозначен на временных диаграммах фиг.6 как tBo. Нулевой уровень напр жени  на выходе инвертора

15 приводит к тому, что на выходе выключающего инвертора 14 по вл етс  высокий уровень напр жени . На предыдущем этапе работы здесь был нулевой (низкий) уровень

напр жени . Так как на обмотке 8 имеетс  отрицательный уровень напр жени , то высокий уровень напр жени  на выходе инвертора 14 приводит к открыванию выключающего транзистора 10 (через поро0 говый элемент, в качестве которого в насто щей схеме изображен стабилитрон 13). На базу силового транзистора 1 подаетс  отрицательна  пол рность напр жени , котора  при помощи резистора 12 формирует отри5 цательный рассасывающий базовый4ток. Начинаетс  процесс рассасывани  избыточных зар дов из полупроводниковой структуры насыщенного силового транзистора 1. На эпюре 52 фиг.6 этот интервал

0 времени обозначен как tp. По окончании рассасывани  силовой транзистор 1 запираетс , е; о ток коллектора (см.эпюру 53 фиг.6) спадав до нул , а коллекторное напр жение увеличиваетс . В соответствии с этим

5 измен ютс  пол рности напр жени  на обмотках 7 и 8 трансформатора 3.

Далее запираютс  диоды 20 и 9, снимаетс  питание с логических инверторов, прекращаетс  зар д конденсатора 17 и с

0 выходов инверторов исчезают разрешающие сигналы. Схема приходит в исходное состо ние, когда все транзисторы заперты. Так как транзистор 4 заперт, начинаетс  зар д конденсатора 27 одновибратора 22, и

5 процессы повтор ютс .

Замедл ющий конденсатор 11 требуетс  дл  создани  задержки спада отрицательного напр жени  на входе выключающего транзистора 10 после нача0 ла запирани  транзистора 1, После смены пол рности напр жений на базовой обмотке 7, 8 трансформатора 3 напр жение на конденсаторе 11 продолжает присутствовать , что гарантировано обеспечивает нали5 чие запирающего напр жени  на базе силового транзистора 1 во врем  формировани  спада его тока коллектора и некоторое врем  после него.

Однотактный преобразователь на фиг.2

0 имеет следующие отличительные черты работы .

Дл  сокращени  времени разр да конденсатора 17 после окончани  коммутационных процессов открытого состо ни 

5 силового транзистора 1 (врем  tpaap на эпюре 56 (имеетс  разр дный транзистор 34, который включаетс  после смены пол рности напр жени  на базовой обмотке 7, 8 трансформатора 3 базовым током, протекающим через цепь из элементов 35 и 36. Этим

конденсатор 17 форсированно разр жаетс  и ускор етс  подготовка схемы к последующему очередному этапу работы.

Дл  исключени  вли ни  помех, возникающих при коммутации силовых полупроводниковых приборов, логический инвертор 15 с введенным резистором 37 обратной св зи приобретает свойство порогового устройства с гистерезисом. Включение его происходит при напр жении меньшем, чем выключение.

Однотактный преобразователь на фиг.З имеет следующие отличительные черты работы .

Ток коллектора силового транзистора 1, протекающий по токовому резистору 38, создает на нем определенное напр жение, превышение которого свыше заданного значени  вызывает включение ограничивающего транзистора 40. Его включение обуславливает включение транзистора 42, что вызывает ускоренный зар д конденсатора 17 от напр жени  обмотки 7 через диод 30. Это вызывает быстрое запирание транзистора 4 и, следовательно, аналогичное запирание транзистора 1, Этим достигаетс  ограничение амплитуды импульса тока его коллектора. Последующее включение силового транзистора 1 происходиттолько после прихода очередного короткого импульса с одновибратора 22. Таким образом, ускоренный разр д конденсатора 17 бывает только во врем  превышени  тока коллектора силового транзистора свыше заданной нормы. В остальные моменты времени транзисторы 40 и 42 заперты.

Дл  шунтировани  базо-эмиттерного перехода силового транзистора 1 во врем  его статического запертого состо ни  предназначен транзистор 43, который включаетс  во врем  такой пол рности напр жени  на обмотке 8, котора  соответствует запертому состо нию транзистора 1. При этом на обмотке 8 положительное напр жение, которое и образует базовый ток транзистора 43 через резистор 44 и диод 45.

Однотактный преобразователь фиг.4 имеет следующие отличительные черты работы .

Питание логических инверторов 14 и 15 осуществл етс  через стабилизатор 46 посто нного напр жени , выполненный в данном случае параметрическим - на стабилитроне и резисторе. Необходимость введени  этого стабилизатора обусловлена следующим.

Выходное напр жение обратноходо- вого преобразовател  в режиме непрерывных токов определ етс  выражением W2 ti/wit2, где W2 и wi - числа витков

вторичной и первичной обмоток силового трансформатора 3; ti и 12 - длительность открытого и закрытого состо ний силового транзистора 1. Дл  получени  свойства параметрической стабилизации выходного напр жени  преобразовател  необходимо, чтобы при изменении первичного напр жени  Еп временные параметры ц и t2 измен лись таким образом, чтобы напр жение UH

0 в приведенной формуле не измен лось.

В рассмотренных схемах преобразователей длительность импульса т.Вкл практически не измен етс  при изменени х напр жени  Еп. Это вызвано следующим.

5 Величина положительного напр жени  на полуобмотке 7 трансформатора 3 при выбранном коэффициенте трансформации обмоток 2 и 7 однозначно определ етс  напр жением Еп. Увеличение напр жени 

0 Еп увеличивает ток зар да конденсатора 17 и уменьшает длительность его зар да до напр жени  переключени  инвертора UCp (эпюра 56 фиг.6). Однако одновременно с этим увеличение напр жени  на обмотке 9

5 (или, что равносильно, напр жени  Еп) приводит к увеличению напр жени  питани  логического инвертора 15. Это вызывает увеличение напр жени  переключени  этого инвертора, так как оно примерно равно

0 половине его напр жени  питани . Таким образом, происходит взаимокомпенсаци  напр жений, и длительность импульса Твкл приблизительно остаетс  неизменной. Если напр жение питани  инвертора 15 стабиль5 но, то длительность импульса tBioi обратно пропорциональна величине напр жени  первичного питани  Еп.

Следовательно, величина напр жени  UH по приведенной формуле зависит от на0 пр жени  ЕП, так как, например, при увеличении Еп длительность Твкл (примерно можно прин ть, что Твкл ti) уменьшаетс , что приводит к снижению напр жени  1)н. Разумеетс , рассмотренные процессы спра5 ведливы при посто нной длительности паузы ti.

Если t2 измен етс  в соответствии с изменением Еп, стабильность выходного напр жени  UH недостаточна. Дл  получени 

0 неизменности t2 предназначена схема одновибратора на фиг.5. Если напр жение, от которого зар жаетс  конденсатор 27, стабильно (а это осуществл етс  стабилитроном 48), длительность зар да этого

5 конденсатора до напр жени  UCT (эпюра 50) не зависит от изменени  напр жени  Еп. Длительность зар да конденсатора 27 примерно равна длительности запертого состо ни  силового транзистора 1. Таким образом, если длительность t2 посто нна,

то, как это видно из приведенной формулы, обеспечиваетс  неизменность напр жени  UH (разумеетс , при рассмотренной функциональной зависимости ц).

Более высокой стабильности выходного напр жени  преобразовател  можно достичь введением дифференциального резистора 49, который в определенной степени снижает стабильность напр жени , от которого зар жаетс  конденсатор 27, чтобы скомпенсировать вли ние такого дестабилизирующего фактора, как врем  рассасы- вани-  tp.

Следовательно, схемы преобразователей дают возможность реализовать питание схемы ynpa& iei ИР от базовой обмотки силового трансформатора. Потребление тока схемой управлени  от первичного истоми- ка минимально, так как выходные импульсы одновгбратора достаточно короткие, и величина сопротивлени  резистора 25 может быть задана значительной.

Claims (7)

1. Однотактный преобразователь посто нного напр жени , содержащий конденсаторы , резисторы, одновибратор, логические инверторы,транзисторы р-п-ри п-р-п-тилов проводимости, где коллектор силового транзистора п-р-п-типа проводимости через конец и начало первичной обмотки силового трансформатора св зан с положительной шиной первичного источника , вторична  обмотка силового трансформатора через выпр митель и фильтр св зана с нагрузкой, а эмиттер силового транзистора через токовый резистор соединен с отрицательной шиной первичного источника и базой ограничивающего транзистора, эмиттером подключенного к отрицательной шине первичного источника, причем начало базовой обмотки через включающую последовательную диоднорези- стивную цепь соединено с коллектором включающего транзистора п-р-п-типа проводимости , эмиттером соединенного с базой силового транзистора, а средн   точка и конец базовой обмотки подключены к отрицательной шине первичного источника и катоду выключающего диода соответственно , причем питающие входы одновибратора подключены к положительной и отрицательной шинам первичного источника, выход- к базе силового транзистора, а коллектор и эмиттер разр дного транзистора р-п-р-типа проводимости подключен параллельно вре- м задающему конденсатору, параллельно базе и эмиттеру силового транзистора включены соответственно коллектор и эмиттер

шунтирующего транзистора п-р-п-типа проводимости , отличающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей применени , база силового

транзистора через выключающий резистор соединена с эмиттером выключающего транзистора п-р-п-типа проводимости, коллектор которого подключен к аноду выключающего диода, а база через выключающий

0 пороговый элемент-к выходу выключающего логического инвертора, входом соединенного с выходом включающего логического инвертора, который через базовый резистор подключен к базе включающе5 го транзистора, причем вход включающего логического инвертора соединен с точкой соединени  первых выводов арем задаю- щего конденсатора м зар дного и разр дного резисторов, где вторые выводы

0 врем задающего конденсатора и разр дного резистора соединены со средней точкой базовой обмотки, а второй вывод зар дного резистора - с питающим входом логических инверторов и с катодом зар дного диода,

5 анод которого подключен к началу базовой обмотки, причем управл ющий вход одно- вибрагора соединен с коллектором включающего транзистора.

2 Преобразователь по п.1, содержащий

0 одновибратор, в котором эмиттер последовательного транзистора р-п-р-типа прово- димос и соединен с точкой подключени  катода стабилитрона, накапливающего конденсатора и балластного резистора, вторым

5 выводом подключенному к первому питающему входу одновмбратора, а анод стабилитрона соединен с базой переключающего транзистора п-р-п-типз проводимости, причем коллектор последовательного транзи0 стора через ограничивающий резистор подключен к выходу одновибратора, а второй вывод накапливающего конденсатора и эмиттер переключающего транзистора соединены с вторым питающим входом одно5 вибратора, коллектор переключающего транзистора через коллекторный резистор подключен к базе последовательного транзистора , отличающийс  тем, что между коллектором последовательного и базой пе0 реключающего транзисторов включен релаксационный конденсатор, а эмиттер последовательного транзистора через первый диод соединен с управл ющим входом одовибратора.

5

3. Преобразователь по пп.1 и 2, о т л и- чающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей применени , база разр дного транзистора через последовательную диоднорезистивную цепь соединена с концом базовой обмотки.

4.Преобразователь по пп.1 и 3, о т л и- чающийс  тем, что, с целью повышени  помехоустойчивости, между входом и выходом включающего логического инвертора включен резистор обратной св зи.

5.Преобразователь по пп.1 - 4, о т л и- чающийс  тем, что, с целью повышени  надежности работы, коллектор ограничивающего транзистора через дополнительный резистор соединен с базой зар дного транзистора п-р-п-типа проводимости, коллектором и эмиттером подключенного к первому и второму выводам зар дного резистора соответственно.

6.Преобразователь по пп.1 - 5, о т л и- чающийс  тем, что, с целью повышени  надежности работы, база шунтирующего

0

транзистора через управл ющую диодноре- зистивную цепь соединена с концом базовой обмотки.. „,

7. Преобразователь по пп.1 - б, о т л и- чающийс  тем, что, с целью повышени  стабильности выходного напр жени , одно- вибратор содержит дополнительный стабилитрон , анод которого соединен с вторым выводом накапливающего конденсатора, а катод через дифференциальный резистор - с точкой соединени  первого вывода балластного резистора и первого вывода балластного резистора, вторым выводом подключенного к эмиттеру последовательного транзистора, катода стабилитрона и первого вывода накапливающего конденсатора .

Фиг. 1

9+Ј

r

г

у

-Т , ,/LJ

0

0+

J

1

: fun

ъL5S

/3 42.

IrW-r0

50 51

sz