SU855639A1 - Многофазный импульсный стабилизатор посто нного напр жени - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано в системах электропитани  аппаратуры, требующей стабилизированного посто нного напр жени .

Известны импульсные стабилизаторы посто нного напр жени  fll и C2i.

Известны устройства, содержащие ключевой транзистор, сглг живгиощий LCD-фильтр, трансформатор с магнитопроводом из материала с пр моугольной, петлей гистерезиса и опорный злемент. Вторична  обиотка трансформатора соединена с эмиттер-базовым переходом ключевого транзистора. Управление параметрического типа обеспечивает высокое быстродействие и простоту схемы стабилизатора tl .

Недостаток данных устройств заключ етс  в повышенной величине ctMплитуды пульсаций напр ж&ни  на его выходе.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  устройство , в котором величина амплиту-. ды пульсаций напр жени  на выходе стабилизатора значительно yfteHbiaeHa. Устройство содержит силовую часть и 9лок управлени . Силова  часть выпол  еиа,в виде четырех параллельно соединенных ключевых преобразовательных  чеек и представл ет собой широко известную схему понижгиощего однотактного импульсного преобразовател  посто нного напр жени . Управление ключевыми транзисторами  чейки обеспечиваетс  измерительным устройством и широтно-импульсным модул тором (ШИМ). Силова  часть  чейки совместto но с измерительным устройством и ШИМ образуют компенсационный стабилизатор напр жени . Коммутаци  ключевых транзисторов каждой последу|с|цей  чейки по отношению к предыдущей осущест15 вл етс  с временным сдвигом Т/п, где Т - период коммутации ключевых транзисторов , п - количество преобразовательных  чеек. Временной сдвиг работы ключевых транзисторов позвол ет

20 снизить уровень амплитуды пульсаций выходного напр жени . Импульсы на включении ключевых транзисторов, формируемые генератором тактовых импульсов , распредел ютс  распределителем

25 импульсов последовательно на каждую из преобразовательных  чеек ГЗ.

Недостатком данного устройства  вл етс  невысокое быстродействие и

30 относнт льна  сложность схемы блока

управлени  стабилизатором, присуща  компенсационному типу управлени .

Целью изобретени  - упрощение схемы и улучшение динамических свойств стабилизатора.

Поставленна  цель достигаетс  тем, то в многофазном импульсном стабилизаторе посто нного напр жени  генератор тактовых импульсов и формирователи ширины импульсов выполнены в виде импульсных параметрических стабилизаторов посто нного тока, включенных по цеп м питани  параллельно входным клеммам, соединенных с общим опорным элементом и состо щих из линейного дроссел  и охваченного йоложительной обратной св зью.магнитнотранзисторного каскада с насыщающимс  трансформатором, первична  обмотка которого соединена параллельно с обмоткой линейного дроссел  и включена последовательно в цепь ключевого транзисторного элемента, перва  из вторичных обмоток использована в качестве цепи положительной обратной св зи, а втора   вл етс -выходной, причем в цепь обратной св зи каждого формировател  ширины импульсов введен ключевой прерыватель в виде коммутирующего транзистора, Порогового элемента , триггера, диода и двух формирователей коротких импульсов, вход одного из которых подключен к выходу распределител  импульсов, вход другого - через диод к обмотке обратной св зи магнитно-транзисторного каскада , а их выходы соединены со входами триггера, подключенного своим выходом через пороговый элемент к управл ющей цепи коммутируквдего транзистора.

На фиг. 1 и 2 представлена принципиальна  электрическа  схема стабилизатора дл  четьгрех ключевых преобразовательных  чеек; на фиг. 3 - временные диаграммы напр жений.

Стабилизатор содержит силовую часть и блок управлени . Силова  часть стабилизатора выполнена в виде параллельно соединенных ключевых преобразовательньах  чеек. Кажда   чейка состоит из ключевых транзисторов 1-4 {дл  ключевых транзисторов второй, третьей, четвертой  чеек соответственно ) / LCD-фильтра с линейным дросселем 5 (6-8 дл  второй и последующих  чеек соответственно) и диодом 9 (10|12 дл  второй и последующих  чеек соOTBeijcTSeHHo ) . Блок 13 управлени  включает генератор 14 тактовых импульсов , распределитель- 15 1 ульсов и формирователь 16 щирйны импульсов, дл  управлени  ключевым транзистором первой преобразовательной  чейки (1719 дл  второй и послелукадих  чеек соответственно), опорный элемент 20 и источник 27 вспомогательных напр жений . Генератор 14 тактовых импуль- сов содержит линейный дроссель 22, обратный диод 23 генератора, магнитотранзисторный каскад (ключевой транзисторный элемент 24, трехобмоточный насыщающийс  трансформатор 25 с первичной обмоткой 26 и вторичными обмоками 27 и 28), диод 29 генератора и схему 30 нормализации выходного сигнала , выполненную, например, на основе ограничител  амплитуды импульса и оптоэлектронного ключа. Распределитель 15 импульсов выполнен, например , на основе Т- или D-триггеров. Состо ние распределител  15 измен ет с  в момент поступлени  на его вход очередного тактового импульса.

Формирователи 16-19 ширины импуЛьсов идентичны дгуг другу (на фиг. 2 показана схема лишь одного формиро вател  16 ширины импульсов дл  управлени  первой преобразовательной  чейкой ) . Формирователь 16 ширины импульсов содержит линейный дроссель 31, обратный диод 32 формировател , магнно-транзисторный каскад (ключевой транзисторный элемент 33 с цепью его запирани  - клемма 34, 35, и диод 36 и трехобмоточный насыщакхцийс  трансформатор 37 с первичной овмоткой 38 и вторичными обмотками 39 н 40, ключевой прерыватель (коммутирующий тразистор 41, триггер 42 с управл ющим выходом 43, формирователи 44 и 45 коротких импульсов, пороговый элемент, например, стабилитрон 46, схема 47 нормализации входного сигнала и диод 48 формировател ). Опорный элемент 20 состоит, например, из стабилитрона 49 и фильтра - конденсатора 50. Сеть питающего напр жени  соединена с положительной 51 и отрицательной 52 клеьолами стабилизатора. Силова  часть каждой ключевой преобразовательной  чейки  вл етс  однотактным :импульсным понижаюсцим стабилизатором посто нного напр жени . Генератор 14 задсиощих импульсов представл ет собой однотактный импульсный параметрический стабилизатор посто нного тока, подключенный входом к сети питающего напр жени  стабилизатора и нагруженный на опорный элемент 20. Первична  обмотка 26 насыщающегос  трансформатора 26 подключена параллельно к обмотке линейного дроссел  22 и включена последовательно в цепь ключевого транзистора элемента 24, одна из вторичных обмоток 27 подключена через ограничительный резистор к эмиттер-базовому переходу транзистора 24, а втора  - выходна  обмотка 28 соединена через диод 29 и схему 30 нормализации выходного сигнала с входом распределител  15. Формирователи 16-19 ширины импульсов  вл ютс  также однотактными импульсньвди параметрическими стабилиза торами посто нного тока, но с разомкнутой цепью положительной обратной св зи. Формирователи ширины импульсов входами подключены к сети питгиоцего напр жени  и также нагружены на опорный элемент ,20. Первична  оёмотка 38 насыщающегос  трансформатора 37 подключена, параллельно к обмотке линейного дрос сел  31 и включена последовательно в цепь ключевого транзисторного элемен та 33 (например, составного транзистора ) , .вторична  обмотка 40 - выходЬа  обмотка формировател  ширины имЬульсов соединена через ограничитель ( ный резистор с эмиттер-базовым переходом ключевого транзистора 1 преобразовательной  чейки. Вторична  обмотка 39 соединена через диод 48, схему 47 нормализации входного сигнала , и формирователь 44 коротких им пульсов с одним из входов триггера 42. К входу формировател  45 корот ких импульсов подсоединен один из в ходов распределител  15, а к выходу второй - вход триггера 42. Выход 43 триггера 42 подключен через пороговый элемент 46 к управл ющим цеп м коммутирующего транзистора 41 баЗой соединенного с корпусом триггера 42 или с клеммой питани  данного тригге ра) . Источник 21 вспомогательных напр  жений .обеспечивает запирание ключевы транзисторных элементов форми{ овате лей ширины импульсов и питание схем распределител  15, триггеров, формирователей коротких импульсов, нормализацию импульсов. Устройство работает следующим образом . I При подаче питани  на вход cxeNU стабилизатора триггеры формирователей 1бт19 ширины импульсов устанавливаютс  в состо ние, когда на их управл ющих выходах (выходе 43 триггера 42 дл  формировател  16) напр жение , близко к нулю. Коммутирующие транзйсто формирователей 16-19 (транзистор 41 дл  формировател  16) закрыты. Ключевые элементы (33 дл  формировател  первой  чейки) формирователей ширины импульсов закЕыты напр жением источника 21 вспомогательных напр жении, прикладываедюго к цеп м управлени  транзисторов (клеммам 34 и 35 дл  транзистора формировател  16). На выходных обмотках формирователей 46-19 напр жение отсутствует. Следовательно ключевые транзисторы 1-4 преобразовательных  чеек наход тс  в закрытом состо нии. В момент подачи напр жени  на вход генератора тактовых импульсов током утечки транзистора 24 создаетс  некоторое напр жение на обмотке дроссел  22 и на первичной обмотке 26 трансформатора 25 генератора 14 . Транзистор 24 лавинообраз но открываетс  напр жением на обмотке 27 трансформатора 25. Напр жением , приложенным к обмотке дроссел  22   к обмотке 26 трансформатора 25, магнитопровод этого трансформатора перемагничиваетс  от исходного состо ни  - Bg до состо ни  насыщени  +85. Транзистор 24 напр жением положительной обратной св зи (напр жением на обмотке 27) переводитс  в насыщенное состо ние. Импульс положительной пол рности, снимаемый с выходной обмотки 28, поступает на вход схемы 30, где с целью защиты элементов распределител  15 нормашизуетс  - ограничиваетс  по амплитуде и гальванически разв зываетс . При достижении насыщени  магнитопровода трансформатора 25, противо-ЭДС, наводима  в обмотке 26, резко уменьшаетс . Напр жение и ток эмиттер-базового перехода транзистора 24 резко .уменьшаютс . Транзистор 24 переходит в активный режим. Коллекторный ток (ток дроссел  22) уменьшаетс , вызыва  изменение пол рности противо-ЭДС на обмотке дроссел  22 на противоположное . Под действием напр жени  обратной св зи транзистор 24 переходит в режим глубокой отсечки. Дроссель 22 разр жаетс  на опорный элемент 20 через диод 23. Импульс отрицательной пол рности, наводимый на обмотке ,28 при закрытом транзисторе 24, блокируетс  диодом 29. При достижении насыщени  магнитопровода транзистор 24 снова переходит в открытое состо ние Импульс положительной пол рности приходит на вход распределител . В дальнейшем цикл работы генератора тактовых импульсбв повтор етс , таким образом, генератор формирует импульсы положительной пол рности с периодом повторени  ь. На фиг. 3 представлена временна  диаграмма напр жений Up.. на выходе генератора тактовых импульсов. При поступлении с выхода генератора 14 тактовых импульсов на вход распределител  15 кгмсдого очередного импульса распределитель формирует последовательно на каждом из своих выходов импульс, период Т следовани  которого в четыре раза (в общем случае в п раз) больше периода т; следовани  тактовых импульсов. На фиг. 3 представлены временные диагрги.1мы напр жений на первом Цл, втором Upn третьем Up и четвертом Up выходах распределител  15, т.е. на входах формирователей 16-19. Первый выходной импульс распределител  15 поступает на вход формировател  16 ширины импульсов. Формирователь 45 короткиз импульсов измен ет длительность импульса, формиру  короткий запускакжоий импульс дл  управлени  триггером 42. Импульс переводит триггер 42в состо ние, в котором на выходе 43триггера 42 по вл етс  напр жение, близкое л напр жению питани  схемы триггера. Это напр жение прикладываетс  к цепи нагрузки триггера 42 пороговому элементу 46 и эмиттер-базовому переходу коммутирующего транзистора 41. Стабилитрон 46 пробиваетс  и в управл ющей цепи транзистора ч 41 протекает ток. Транзистор 41 открываетс . К эмиттер-базовым цеп м составного транзистора 33 приклады- j ваетс  отпирающее напр жение, транзистор 33 открываетс . По цепи: положительна  клемма питающей сети (клемма 51) - эмиттер-коллекторный переход транзистора 33 - линейный дроссель 31- «Q опорный элемент 20 - отрицательна  кпеюла питающей сети (клемма 52) протекает ток. К обмотке дроссел  31 и к обмотке 38 трансфо млатора 37 прикладываетс  напр жение. Магнитопровод трансформатора 37 перемагничиваетс  от исходного состо ни  - Bg до состо ни  насьлцени  + 85. Импульс отрицательной пол рности на обмотке 39 блокируетс  диодом 48. Пр моугольный импульс положительноый пол рности20

положительной пол рдрсти на выходной обмотке 40 формировател  16 открывает ключевой транзистор 1 преобразовательной  чейки. Ток питающей сети протекает по цепи: клемма 51 - коллек- 25 тор-эмиттерный переход транзистора 1линейный дроссель 5 фильтра - нагрузка - клемма 52. При достижении насыщени  магнитопровода трансформатора 37 противо-ЭДС наводима  в обмотке jQ 38, резко уменьшаетс , что вызывает скачкообразное увеличение тока первичной обмотки 39 трансформатора и уменьшение тока, протекающего черезобмотки дроссел  31. ЭДС, наводима  jj в обмотке дроссел  31, в обмотках 38 и 39 трансформатора измен ет свою пол рность .. Импульс напр жени  с обмотки 39, нормированный схемой 47 и укороченный формирователем 44 коротких импульсов, поступает на вход тригге- 0 ра 42 и переводит его в исходное состо ние . Ток, протекак ций через эмиттер-базовый переход транзистора 41, уменьшаетс  до нул  (остаточное напр жение на выходе триггера 42 мень- 45 ше напр жени  пробо  стабилитрона 46) Транзистор 41 и составной- транзистор 33 закрываютс . Ток дроссел  31 замыкаетс  через опорный элемент 20 и диод 32. Магнитопровод трансформато- 50 ра 37 перюмагничиваетс  в исходное состо ние. В момент изменени  пол рности противо-ЭДС линейного дроссел  измен етс  и пол рность импульса напр жени  выходной обмотки 40. Тран- зистор 1 закрываетс . Дроссель 5 разр жаетс  на нагрузку открывшийс  диод 9. Очередной импульс формировател  16 переводит триггер 42 в противоположное состо ние, открыва  транзистор 41. Цикл работы формирова- 60 тел  16 повтор етс . Временные диаграммы напр жени  if на обмотке дроссел  31 и напр женне иц1шм на выходной обмотке 40 трансфгюматора 37 представлены на фиг. 2.

Второй импульс положительной пол рности , формируемый генератором 14 тактовьлх импульсов, поступает на распределитель 15, а через него на вход .формировател  17 ширины импульсов.

Процессы в формирователе 17 повтор ют процессы в формирователе 16. Таким образом, ключевой транзистор 2 второй  чейки коммутируетс  с фазовым сдвигом f относительно времени коммутации транзистора 1. Третий положительный импульс генератора 14 импульсов вызывает включение транзистора 3 через период времени t после включени  транзистора 2. Четвертый положительный импульс вызывает включение транзистора 4 через период времени & после включени  транзистора 3. Через период времени 4 С после первого импульса положительной пол рности п тый импульс снова поступает на формирователь 16 и цикл работы всего устройства повтор етс . На Фиг. 3 представлены временные диаграммы напр жени  ифш„,на выходе формировател  17 напр жени  ифшцо, - на выходе формировател  18, напр жени  и,ш14л, - на выходе формировател  19. Схема обеспечивает как стабилизацию напр жени  на выходе каждой ключевой преобразовательной  чейки и стабилизатора, так и фазовый сдвиг периода коммутации ключевых транзисторов  чеек.

Действительно, врем  замкнутого и разомкнутого состо ни  транзистора генератора тактовых импульсов, который представл ет собой импульсный параметрический стабилизатор тока, нагруженный на опорный элемент, определ етс  временем перемагничивани  магнитопровода.

При обычном допущении, что падение напр жени  на открытом эмиттер-коллекторном переходе ключевого транзистора 24 генератора 14 близко к нулю, замкнутого состо ни  определ етс  параметрами трансформатора 25 и величинами питающего Up и опорного оп напр жени  и равное

abs bW SUn-Uon

где Bg - индукци  насыщени  материала магнитопровода трансформатора 25; S - площадь поперечного сечени 

магнитопровода; W - количество витков обмотки

26 трансформатора 25. При обычном допущении, что падение напр жени  на диоде 23 в пр мом направлении близко нулю, врем разомкнутого состо ни  транзистора

,bw

и,

on

Период коммутации при этом

Claims (3)

1. --vv( а коэффициент.заполнени  импульса Т - t /t . (1) Св зь между питающим и выходным напр жением в однотактных стабилизаторах понижающего типа определ етс  выражением Стабилизаци  напр жени  на выходе каждой  чейки достигаетс  за счет того, что ключевые транзисторы каждой преобразовательной  чейки коммутируютс  с тбй же скважностью, что и транзистор генератора тактовых импульсов . При этом как следует из Bkражени  (2) при подстановке равенств ( 1) В свою очередь, равенство коэ(|$фициентов заполнени  достигаетс .тем, что врем  tlj и tp перемагничивани  из одного состо ни  в другое и перио Т перемагничивани  магнитопровода трансформаторов формирователей ширины импульсов пропорциональны времени и периоду перемагничивани  магнитопровода трансформатора генератора тактовых импульсов. При одном и том же материале, т.е. при одной и той же величине индукции насыщени  В , это обеспечиваетс  увеличением поперечного сечени  магнитопровода транс форматоров формирователей ширины импульсов или, количества витков первич ной обмотки в п раз по сравнению с соответствующими параметрами трансформатора генератора тактовых импульсов . Один и тот же фазовый сдвиг V « Т/п кокмутации транзисторов прёобразовательных  чеек обеспечиваетс  работой генератора тактовых импульсов и формирователей ширины импульсо на-один и тот же спорный элемент и применением управл емой положительной обратной св зи в формировател х ширины импульсов. Работа как генератора тактовых импульсов, так и формирователей ширины импульсов на один и тот же опор ный элемент, кроме того, обеспечивает симметрию момента закрыти  ключевых транзисторов всех преобразовател ных  чеек. Таким образом, ка ща  пре образовательна   чейка в совокупност с генератором тактовых импульсов, формирователем ширины импульсов, с общим дл  всех  чеек опорным элементом образуют единое устройство - паргш-ютрический стабилизатор напр жени . Формула изобретени  ; Многофазный импульсный стабилизатор посто нного напр жени , содержащий силовую цепц, выполненную в виде N параллельно соединенных ключевых преобразовательных  чеек, кешща  из которых состоит из ключевого транзистора и LCD-фильтра, и блок управлени , состо щий из генератора тактовых импульсов, распределител  импульсов с N выходами, N формирователей ширины импульсов, ОПОРНОГО элемента, источника вспомогательных напр жений, при этом распределитель импульсов входом подключен к выходу генератора тактовых ИМПУЛЬСОВ, а выходом - к уп вл клцим цеп м формирователей шириньтимпульсов , а выход кгикдого из формирователей ширины импульсов соединен с управл ющей цепью ключевого транзистора преобразовательной  чейки, о т л и 1ающийс  тем, что, с иелью упрощени  схема и улучшени  динамических свойств стабилизатора, генератор тактовых импульсов и формирователи ширины импульсов выполнены в виде импульсных параметрических стабилизаторов посто нного тока, включенных по цеп м питани  параллельно входным клеммам, соединенных с общим опорным элементом и состо щих из линейного дроссел  и охваченного положительной обратной св зью магнитно-транзисторного каскада с насыщающимс  трансформатором, первична  обмотка которого подключена параллельно обмотке линейного дроссел  и включена последовательно в цепь ключевого транзисторного элемента , перва  из вторичных обмоток использована в качестве цепи положительной обратной св зи, а втора   вл етс  выходной, причем в цепь обратной св зи каждого формировател  ширины импульсов введен ключевой прерыватель, выполненный в виде коммутирунщего транзистора, порогового элемента, триггера, диода и двух формирователей коротких импульсов, вход одного из которых подключен к одному из выходов распределител  импульсов, вход другого - через диод к обмотке обратной св зи магнитно-транзисторного каскада , а их выходы соединены со входами триггера, подключенного своим выходом через пороговый элемент к управл юсцей цепи ко1«лутирующего транзистора. Источники информации, прин тые во внимание пр  экспертизе . Моин В. С., Лаптев И. П. Стабилизированные транзнсторные преобразователи . М., Энерги , 1972, с. 295, рис. 8-18.
2. 2.Авторское свидетельство СССР 327462, кл. G 05 F 1/56, 1968.
3. 3.Электродна  техника в автоматигке . Под ред. Ю.И. Конева, н., Советское радио, вып. 10, 1978, с. 107;L13 , рис. 1, 2.

   ft

   Л