SU807248A1 - Стабилизатор напр жени перемен-НОгО TOKA - Google Patents

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в · целях питания различной радиотехнической аппаратуры.

Известен стабилизатор напряжения 5 переменного тока, содержащий регулирующий элемент, который выполнен.в виде транзистора и работает в линейном режиме,и схему управления. [1] .

Однако это устройство имеет низкую экономичность и большие габариты Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является стабилизатор напряжения переменного трка, содержащий силовой трансформатор 15 с разделенной на две секции первичной обмоткой, между которыми включен мостовой выпрямитель, в диагональ постоянного тока которого включен регулирующий элемент, управляющим электро- 20 дом через резистор подключенный к вспомогательному выпрямителю, вторичная обмотка трансформатора подключена к выходным выводам [2^.

Недостатком известного устройства 25 является то, что регулирующий элемент этого стабилизатора в течение времени превышения· мгновенным- значением входного напряжения опорного уровня работает в линейном режиме. Поэтому 30 экономичность⁴' источника питания сравнительно мала.

Цель изобретения - повышение экономичности источника питания.

Поставленная цель достигается тем, что известный стабилизатор напряжения переменного тока снабжен ключом, подключенным к управляющему переходу регулирующего узла, и нелинейным элементом, включенным между управляющим электродом ключа и 'выходом вспомогательного выпрямителя.

При этом,нелинейный элемент выполнен в виде цепочки из последовательно соединенных стабилитрона-и рез истора.

Кроме того с целью повышения надежности, стабилизатор снабжен конденсатором, включенным параллельно ключу, и диодом, включенным последовательно с ключем.

На фиг. 1 приведена схема стабилизатора напряжения переменного тока; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы (где U_c г сетевое.напряжение; и_д - напряжение на первичной обмотке трансформатора; и_с? - напряжение срабатывания схемы, приведенное к первичной обмотке).

to .Стабилизатор содержит силовой трансформатор 1, первичная обмотка которого разделена на две секции 2 и 3. Регулирующий узел, состоящий из регулирующего элемента 4 и выпрямителя 5, включен между секциями 2 и 3 первичной обмотки. К управляющему переходу регулирующего элемента 4 подключен ключ 6, управляющий электрод которого через нелинейный элемент 7, состоящий, например, из резистора 8 и стабилитрона 9, подключен к выходу вспомогательного выпрямителя на диодах 10 и 11. К этому же выходу подключается через резистор 12 управляющий' электрод регулирующего элемента 4. При выполнении регулирую- ’5 щего элемента 4 в виде запираемого тиристора к его управляющему электроду подключается стабилитрон 13, вторым выводом соединенный со вторым выходом вспомогательного выпрямителя, образованного диодами 14 . и 15. Последовательно с ключом 6 может быть включен диод 16, а параллельно ключу 6 - конденсатор 17. МеадУ управляющим электродом ключа 6' и выходом регулирующего элемента 4 может быть включен резистор 18. Диоды 10, 11 и 14, 15 могут быть подключены непосредственно к выходу источника, а также к отводам от секций 2 и 3 трансформатора 1. Для получения выходных напряжений на трансформатор 1 нанесены одна или несколько обмоток 19, которые через выпрямители 20 подключены к емкостным сглаживающим фильтрам 21.

В качестве регулирующего элемента 4 могут быть использованы транзисторы и запираемые тиристоры. Так как работа схемы в этих случаях различна, сначала рассмотрим вариант с выполнением регулирующего элемента в виде транзистора.

Стабилизатор работает следующим образом.

При переходе напряжения сети U_o через нулевое значение регулирующий элемент 4 и ключ б выключены из-за влияния нелинейности диодов 10, 11 и выпрямителя 5. При достижении напряжением U_c величины 3-5 В через резистор 12 открывается регулирующий элемент 4, и первичная обмотка трансформатора 1 подключается к сетевому напряжению. Ключ б в это время закрыт, так как стабилитрон 9 при таком напряжении не проводит тока.

В момент времени напряжение превышает уровень срабатывания схемы, несколько высший удвоенного напряжения стабилизации стабилитрона 9, ключ б открывается и шунтирует управляющий переход регулирующего элемента 4 (базо-эмиттерный переход транзистора) . Последний закрывается, отключая при этом первичную обмотку трансформатора 1 от напряжения U_c.

В таком состоянии элементы схемы остаются до момента времени t^. В течение этого отрезка времени ток течет через один из диодов 10 или 11 (в зависимости от полярности I напряжения U_c), резистор 12, ключ б, выпрямитель 5, секция 2 или 3 трансформатора 1. Тек нелинейного элемента 7 сравнительно мал (ток базы транзисторного ключа 6). Ток, проi текающий через открытый ключ б, благодаря усилительным свойствам регулирующего элемента 4, значительно меньше тока, потребляемого источником от сети. Поэтому падение на, пряжения на секции 2 или 3 в тече' ние времени Ц-, мало, а почти все напряжение' U с, прикладывается к резистору 12 и нелинейному элементу 7. В результате в момент ключ б переходит в насыщенный режим (из-за I влияния нелинейности элемента 7), и выключение ключа 6 происходит в момент- при напряжении меньшем, чем ^UCP·

Дальнейшее уменьшение напряжения, при котором происходит выключение ключа 6 (может быть необходимым при малом намагничивающем токе трансформатора 1 и работе его в режиме холостого хода или близком к нему), достигается подключением диодов 10 и 11 к отводам секций 2 и 3 или включением резистора 18. В первом случае уменьшается влияние падения напряжения на секциях 2 и 3 в течение времени -t₂, а во втором — после выключения регулирующего элемента 4 через резистор 18 добавляется ток в базу транзисторного ключа б, насыщая его.

В течение времени регулирующий элемент 4 включен и первичная обмотка (секции 2 и 3) трансформатора 1 подключена к сети. В момент перехода напряжения U_c через нулевое значение регулирующий элемент 4 на короткое время закрывается, а затем открывается вновь. Описанная работа повторяется в следующий полупериод. Напряжение на обмотках трансформатора 1 имеет вид импульсов, по форме близких к треугольным (фиг. 2 - напряжение U, ) . Амплитуда этих импульсов не зависит от величины напряжения U_c, а определяется параметрами элементов схемы: нелинейного элемента 7, ключа 6, расположением отводов от секций 2 и 3.

При подключении к одной из обмоток 19 через выпрямитель 20 емкостного сглаживающего фильтра 21 на выходе присутствует постоянное напряжение U_от, почти не зависящее от напряжения U_c. Количество вторичных обмоток 19 может быть произвольным. Выходные напряжения U_CT. каждой из обмоток 19 определяются количеством витков соответствующих обмоток и

807246 схемой выпрямления (для выпрямителей с умножением напряжения).

При выполнении регулирующего элемента 4 в виде запираемого тиристора стабилизатор дополнительно содержит стабилитрон 13 и диоды 14 и 15. Включение регулирующего элемента 4 в этом случае осуществляется в нача ле полупериода так же, Как и в пре дыдущем случае, током через резистор

12. После того, как напряжение превышает напряжение пробоя стабилитрона to

9, открывается ключ 6 и шунтирует управляющий переход тиристора регулирующего элемента 4, но последний остается включенным.

В момент времени пробивается 15 стабилитрон 13 и на управляющий электрод регулирующего элемента 4 поступает отрицательное напряжение, которое выключает запираемый тиристор регулирующего элемента 4. Так · 20 как ключ 6 в это время включен, регулирующий элемент не включается повторно после уменьшения напряжения меньше и_ср ,' которое в этом случае несколько превышает удвоенное напряжение стабилизации стабилитрона

13. Включение тиристора регулирующего элемента 4 происходит только после выключения ключа 6 в момент времени t_a, когда стабилитрон 9 пере-^. стает проводить ток.

В течение·времени превышения напряжением U_c уровня U_cp транзистор ключа 6 работает в инверсном режиме, но из-за малого коэффициента усиления по току в этом режиме, существенного влияния на работу источника не оказывает. Диод 16, включенный последовательно с ключом 6 предотвращает этот режим, повышая надежность источника. 40

Если включение напряжения U _с происходит в момент времени, когда U_o > U_cp, то транзистор ключа 6 практически сразу же открывается и на управляющий электрод регулирующего элемента 4 проходит только очень короткий импульс. Обычно регулирующий элемент 4 обладает сравнительно большой инерционностью и не реагирует на такой короткий импульс. В случае „ применения быстродействующих элементов для устранения этого импульса параллельно ключу б может быть подключен конденсатор 17. В остальном конденсатор 17 на работу источ- « ника влияния не оказывает. '**

Кроме описанных, варианты исполнения источника стабилизированного напряжения могут иметь следующие отличия. В качестве нелинейного элемента 7 могут быть использованы 60 варисторы, вместо стабилитрона 9' может быть включен динистор. Резистор 18 положительной обратной связи может быть подключён не только к базе транзистора ключа 6, но и к точке соединения резистора 8 и стабилитрона 9. Стабилитрон 13 может быть заменен динкотором, а диоды 14 и 15 могут быть подкл: чены к отводам секций 2 и 3 трансформатора 1. При использовании в качестве ключа 6 элемента, требующего для включения сигнала другой полярности, нелинейный элемент 7 подключается к диодам ₍14 и 15. В схеме источника может быть использована нелинейность самого ключа 6, например при использовании МОП-транзисторов, работающих в режиме обогащения. В таком случае нелинейный элемент 7 может быть заменен линейным резистором или делителем напряжения на резисторах, подключенным к точкам соединения диодов 10, 11 и 14, 15, или к одной из указанных точек и выходу выпрямителя 5.

Если устройство содержит несимметричный регулирующий элемент 4, то источник включается через выпрямитель 5. Применение симметричных (работающих на переменном напряжении) устройств для регулирующего элемента 4 позволяет отказаться от выпрямителя 5. Примерами таких устройств являются: симметричный запираемый тиристор, симметричный транзистор, два встречно-последовательно соединенных тиристора или транзистора, шунтированных обратно-включенными диодами.

Если в сети исключены провалы напряжения ниже уровня срабатывания, или применена безынерционная защита источника по току, может быть получен дополнительный эффект за счет преобразованц^ фор№а напряжения, прикладываемого к первичной обмотке трансформатора 1. Это напряжение имеет форму, близкую к треугольной, и импульсы следуют с интервалами, как'правило, яревыиающими длительность самих импульсов. Это позволяет уменьшить число витков обмоток трансформатора почти в, два раза и в результате увеличить мощность источника при тех же .размерах трансформатора 1, или уменьшить габариты источника при заданной мощности.

Claims (4)

1. Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано в цел х питани  различной радиотехнической аппаратуры, Известен стабилизатор напр жени  переменного тока, содержащий регулирующий элемент, который выполнен, в виде транзистора и работает в линейном режиме,и схему уйрав.пени . В-З . Однако это устройство имеет низкую экономичность и большие габариты Наиболее близким техническим решением к предлагаемому  вл етс  стабилизатор напр жени  переменного тока , содержащий силовой трансформатор с разделенной на две секции первично обмоткой, между которыми включен мос товой выпр митель, в диагональ посто  нного тока которого включен регулирукадий элемент, управл ющим электродо1 через резистор подк.пюченный к вспомогательному выпр мителю, вторич на  обмотка трансформатора подключен к выходным выводам 2. Недостатком известного устройства  вл етс  то, что регулирующий элемен этого стабилизатора в течение времен превышени - мгновенным- значением входного напр жени  опорного уровн  работает в линейном ргежиме. Поэтому экономичность источника питани  сравнительно мала, Цель изобретени  - повышение экономичности источника питани . Поставленна  цель достигаетс  тем, что известный стабилизатор напр жени  переменного тока снабжен ключом, подключенным к управл ющему переходу регулирующего узла, и нелинейным элементом , включенным между управл ющим электродом ключа и выходом вспомогательного выпр мител . При этом,нелинейный элемент выполнен в виде цепочки из последовательно соединенных стабилитрона-и ре3 истора. Кроме того с целью повышени  надежности , стабилизатор снабжен конденсатором , включенным параллельно ключу, и диодом, включенным последовательно с ключем. На фиг. 1 пр1.ведена схема стабилизатора напр жени  переменного тока; на фиг, 2 - временна  диаграмма его работы .(где U, г сетевое, напр жение; Ч - напр жение на первичной обмотке трансформатора; U,,, - напр жение срабатывани  схемы, приведенное к первичной обмотке). .Стабилизатор содержит силовой трансформатор 1, первична  обмотка которого разделена на две секции 2 и 3. Регулирующий узел, состо щий и регулирующего элемента 4 и выпр мител  5, включен между секци ми 2 и первичной обмотки. К управл ющему переходу регулирующего элемента 4 п Ключен ключ 6, управл к ций электрод которого через нелинейный элемент 7 состо щий, например, из резистора 8 и стабилитрона 9, подключен к выходу вспомогательного выпр мител  на диодах 10 и 11. К этому же выходу подключаетс  через резистор 12 управл ющий электрод регулирующего элемента 4. При выполнении регулиру щего элемента 4 в виде запираемого тиристора к его управл ющему электроду подключаетс  стабилитрон 13, вторым выводом соединенный со вторым выходом вспомогательного выпр мител , образованного диодами 14 и 15. Последовательно с ключом б мо жет быть включен диод 16, а параллельйЬ ключу б - конденсатор 17. Между управл ющим электродом ключа 6 и выходом регулирующего элемента 4 может быть включен резистор 16. Диоды 10, 11 и 14, 15 могут быть подключены непосредственно к выходу источника, а также к отводам от сек ций 2 и 3 трансформатора 1. Дл  получени  выходных напр жений на трансформатор 1 нанесены одна или несколько обмоток 19, которые через выпр мители 20 подключены к емкостным сглаживающим фильтрам 21. В качестве регулирующего элемент 4 могут быть использованы транзисто ры и запирае№ле тиристора. Так как работа схемы в этих случа х различна , сначала рассмотрим вариант с выполнение) регулирующего элемента в виде транзистора. Стабилизатор работает следующим образом. При переходе напр жени  сети Ug. через нулевое значение регулирующий элемент 4 и ключ б выключены из-за вли ни  нелинейности диодов 10, 11 выпр мител  5. При достижении напр  жением и величины 3-5 В через ре .зистор 12 открываетс  регулирующий элемент 4, и первична  обмотка транс форматора 1 подключаетс  к сетевому напр жению. Ключ 6 в это врем  закрыт , так как стабилитрон 9 при тако напр жении не проводит тока. В момент времени t напр жение U превышает уровень срабатывани  схемы/ несколько высший удвоенного напр жени  стабилизации стабилитрона ключ б открываетс  и шунтирует управ л ющий переход регулирующего элемента 4 (базо-эмиттерный переход транзистора ) . Последний закрываетс , отключа  при этом первичную обмотку трансформатора 1 от напр жени  U. В таком состо нии элементы схемы остаютс  до момента времени t. В течение этого отрезка времени ток течет через один из диодов 10 или 11 (в зависимости от ,пол рности напр жени  УС.) , резистор 12, ключ 6, выпр митель 5, секци  2 или 3 трансформатора 1. Тсч нелинейного элемента 7 сравнительно мал (ток базы транзисторного ключа 6). Ток, протекающий через открытый ключ б, благодар  усилительным свойствам регулирующего элемента 4, значительно меньше тока, потребл емого источником от сети. Поэтому падение напр жени  на секции 2 или 3 в течение времени Ц -1, мало, а почти все напр жение U с прикладываетс  к резистору 12 и нелинейному элементу 7. В результате в момент ц ключ б переходит в насыщенный режим (из-за вли ни  нелинейности элемента 7), и выключение ключа б происходит в момент- t при напр жении меньшем, чем Дальнейшее уменьшение напр жени , при котором происходит выключение ключа б (может быть необходимым при малом намагничивающем токе трансформатора 1 и работе его в режиме холостого хода или близком к нему), достигаетс  подключением диодов 10 и 11 к отводам секций 2 и 3 или включением резистора 18. В первом случае уменьшаетс  вли ние падени  напр жени  на секци х 2 и 3 в течение времени , а во втором - после выключени  регулирующего элемента 4 через резистор 18 добавл етс  ток в базу транзисторного ключа б, насыща  его. В течение времени регулирующий элемент 4 включен и первична  обмотка (секции 2 и 3) трансформатора 1 подключена к сети. В момент перехода Напр жени  Uc через нулевое значение регулирующий элемент 4 на короткое врем  закрываетс , а затем открываетс  вновь. Описанна  работа повтор етс  в следующий полупериод. Напр жение на обмотках трансформатора 1 имеет вид импульсов, по форме близких к треугольным (фиг. 2 - напр жение U, ) . Амплитуда этих импульсов не зависит от величины напр жени  UQ., а определ етс  параметрами элементов схемы: нелинейного элемента 7, ключа б, расположением отводов от секций 2 и 3. При подключении к одной из обмоток 19 через выпр митель 20 емкостного сглаживающего фильтра 21 на выходе присутствует посто нное напр жение UpTf почти не завис щее от напр жени  1)- Количество вторичных обмоток 19 может быть произвольным, Выходные напр жени  . каждой из обмоток 19 определ ютс  количеством витков соответствующих обмоток и схемой выпр млени  {дл  выпр мителей с умножением напр жени ). При выполнении регулирующего элемента 4 в виде запираемого тиристора стабилизатор дополнительно содержит стабилитрон 13 и диоды 14 и 15. Включение регулирующего элемента 4 в этом случае осуществл етс  в нача ле полупериода так же. Как и в предыдущем случае, током через резисто 12.После того, как напр жение превы шает напр жение пробо  стабилитрона 9, открываетс  ключ 6 и шунтирует у равл ющий переход тиристора регулирующего элемента 4, но последний остаетс  включекнь м. В момент времени t пробиваетс  стабилитрон 13 и на управл ющий электрод регулирующего элемента 4 поступает отрицательное напр жение/ которое выключает запираемый тиристор регулирующего элемента 4. Так как ключ 6 в это врем  включен, ре гулирующий элемент не включаетс  повторно после уменьшени  напр жени меньше UCP , которое в этом случае несколько превьвиает удвоенное напр жение стабилизации стабилитрона 13.Включение тиристора регулирующего элемента 4 происходит только после выключени  Ключа 6 в момент времени t/, когда стабилитрон 9 пер стает проводить ток. В течение времени превьвиени  напр жением и. уровн  UCP транзистор ключа 6 работает в инверсном режиме , но из-за малого коэффициента ус лени  по току в этом режиме, сущест венного вли ни  на работу источника не оказывает. Диод 16, включенный последовательно с ключом 6 предотвр щает этот режим, повыша  надежность источника. Если включение напр жени  U про исходит в момент времени, когда и UCP/ то транзистор ключа б пра тически сразу же открываетс  и на управл ющий электрод регулирующего элемента 4 проходит только очень ко роткий импульс. Обычно регулирующий элемент 4 обладает сравнительно бол шой инерционностью и не реагирует на такой короткий импульс. В случае применени  быстродействукадих элементов дл  устранени  этого импульса параллельно ключу б может быть подключен конденсатор 17. В остальном конденсатор 17 на работу источника вли ни  не оказывает. Кроме описанных, варианты испсхпнени  источника стабилизированного напр5гжени  могут иметь следукйцие отличи . В качестве нелинейного элемента 7 могут быть использованы варисторы, вместо стабилитрона 9 может быть включен динистор. Резистор 18 положительной обратной :св зи может быть подключён не только к базе транзистора ключа б, но и к точке соединени  резистора 8 и стабилитрона 9. Стабилитрон 13 может быть заменен динистором, а диоды 14 и 15 могут бьть подкл: чаны к отводам секций 2 и 3 трансфс,рматора 1. При использовании в качестве ключа 6 элемента, требугэщего дл  включени  сигнала другой пол рности, нелинейный элемент 7 подключаетс  к диодам 14 и 15. В схеме источника мржет быть использована нелинейность сгшого ключа 6, например при использовании МОП-транзисторов, работаккдих в режиме обогащени . В таком случае нелинейный .элемент 7 может быть-заменен линейным резистором или делителем напр жени  на резисторах, подключенным к точкам соединени  диодов 10, 11 и 14, 15, или к одной из указанных точек и выходу выпр мител  5. Если устройство содержит несимметричный регулирующий элемент 4, то источник включаетс  через выпр митель 5. Применение симметричных (работающих на переменном напр жении) устройств дл  регулирующего элемента 4 позвол ет отказатьс  от выпр мител  5. Примерами таких устройств  вл ютс : симметричный запираемЕОй тиристор, симметричный -транзистор, два встречно-последовательно соединенных тиристора или транзистора, шунтированных обратно-включенными диодами. Если в сети исключены провалы напр жени  ниже уровн  срабатывани , или применена безынерционна  защита источника по току, может быть получен дополнительный эффект за счет преобр азован5у форищ напр жени  прикладелваемого к первичной обмотке трансформатора 1. Это напр жение имеет форму, близкую к треугольной, и импульсы следуют с интервалами, какправило,  ревьлиающими длительность самих импульсов. Это позвол ет уменьшить число витков обмоток трансформатора почти в, два раза к в результате увеличить мощность источника при тех же .размерах трансформатора 1, или уменьшить габариты источника при заданной мощности. Формула изобретени  1. Стабилизатор напр жени  переменного тока, содержащий силовой трансформатор с разделенной на две секции первичной обмоткой, между которыми включен мостовой регулирующий узел, управл кадим электродом через резистор подключенный к вспомогательному выпр мителю, вторична  обмотка трансформатора подключена к выходным выводам,.отличающийс  тем, что, с целью повышени  эконоАШчности, он снабжен ключом , подключенным к управл ющему

   переходу регулирующего узла, и нелинейншл элементом, включенным Между: управл кхцим электродом ключа и выходом вспомогательного выпр мител .
2. 2.Стабилизатор по п.1, о т л чч а ю щ и и с  .тем, что нелинейный элемент вьшолнен в виде цепочки из последовательно соединенных стабилитрона и резистора.
3. 3.Стабилизатор по пп.1 и 2, о т личающийс  тем, что, с целью повышени  надежности, он снабжен KOHденсатором , включенным параллельно

   ключу.

   .
4. 4. Стабилизатор по пп.1 и 2, отличающийс  тем, что он снабжен диодом, включенным последовательно с ключом.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

   1.Белопольский И.И. и Тихонов В.И Транзисторные стабилизаторы на повышенные и высокие напр жени , м., Энерги , 1971, с.14-22, рис.2-2.

   2.Авторское свидетельство СССР № 537333, кл. G 05 F 1/44, 1975.

   ----. .

   О - . Фие.2.