Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения
Полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам стабилизации напряжения. Техническим результатом является обеспечение высокой температурной стабильности выходного напряжения (широкого диапазона рабочих температур) при одновременном расширении диапазона выходных напряжений, а значит и расширение функциональных возможностей устройства как стабилизированного преобразователя постоянного напряжения. Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержит источник постоянного напряжения, параметрический стабилизатор напряжения, триггер Шмитта, три резистора, два конденсатора, ключ, импульсный трансформатор, два диода, по крайней мере, одна пара однотипных стабилитронов, комплекты «выпрямитель - фильтр - нагрузка» (по числу нагрузок). 2 ил. 1 п. ф-лы.
Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам стабилизации напряжения.
Уровень техники
Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (патент RU 
2314626, МПК: H02M 3/335) содержащий источник постоянного напряжения, параметрический стабилизатор напряжения, триггер Шмитта, пять резисторов, стабилитрон, два конденсатора, ключ, импульсный трансформатор, характеризуемый наличием n первых вторичных обмоток, а также второй вторичную обмоткой, n выпрямителей и фильтров, два диода.
Недостатком данного устройства является низкая температурная стабильность выходного напряжения обусловленная несогласованностью модулей величин температурных коэффициентов напряжения (ТКН) стабилитрона и диода включенных в цепь второй вторичной обмотки импульсного трансформатора.
Несогласованность модулей ТКН стабилитрона и диода обусловлены различной зависимостью их ТКН. В частности, ТКН стабилитрона является функцией двух переменных - температуры и тока (см. П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники», М.: Мир, 1998 г., с. 351), а ТКН диода является функцией одной переменной - температуры, а значит задача температурной стабильности выходного напряжения известного стабилизированного преобразователя постоянного напряжения, при использовании разнотипных указанных элементов (различная степень легирования p-n-переходов, различная технология изготовления p-n-переходов), в полной мере, решена быть не может.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (патент RU 2235353, МПК: G05F 1/46).
Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержит источник постоянного напряжения, подключенный к параметрическому стабилизатору напряжения, выход которого подключен к выводу питания триггера Шмитта, инверсный выход которого через последовательно соединенные первые резистор и конденсатор подключен к другому выводу источника постоянного напряжения и непосредственно соединен с входом управления ключа, вывод которого соединен с первым выводом источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, по крайней мере, одну вторичную обмотку импульсного трансформатора, которая через последовательно соединенные, соответствующие выпрямитель и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, первый диод, интегрирующую RC-цепь, второй диод, второй и третий резисторы, по крайней мере, один стабилитрон. Дополнительная вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена к аноду первого диода, катод которого подключен к фильтрующему конденсатору и через последовательно соединенные второй резистор и, по крайней мере, один стабилитрон к входу триггера Шмитта и катоду второго диода, анод которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта, вход которого через третий резистор подключен к точке соединения первых резистора и конденсатора.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности обусловленные:
низкой температурной стабильностью выходного напряжения (узким диапазоном рабочих температур) в случае широкого диапазона выходных напряжений;
узким диапазоном выходных напряжений при высокой температурной стабильности (широком диапазоне рабочих температур).
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели сводится к расширению функциональных возможностей обусловленных обеспечением высокой температурной стабильности выходного напряжения (широкого диапазона рабочих температур) при одновременном расширении диапазона выходных напряжений.
Технический результат достигается тем, что в стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержащий источник постоянного напряжения, подключенный к параметрическому стабилизатору напряжения, выход которого подключен к выводу питания триггера Шмитта, инверсный выход которого через последовательно соединенные первые резистор и конденсатор подключен к другому выводу источника постоянного напряжения и непосредственно соединен с входом управления ключа, вывод которого соединен с первым выводом источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, по крайней мере, одну вторичную обмотку импульсного трансформатора, которая через последовательно соединенные, соответствующие выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, дополнительную вторичную обмотку импульсного трансформатора подключенную к аноду первого диода, катод которого подключен к фильтрующему конденсатору и через второй резистор к катоду, по крайней мере, одного стабилитрона, второй диод, анод которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта, вход которого, непосредственно соединен с катодом второго диода, и через третий резистор подключен к точке соединения первых резистора и конденсатора, введен, по крайней мере, второй стабилитрон однотипный первому, причем введенный стабилитрон включен встречно первому стабилитрону, анодом к аноду первого стабилитрона, а катодом к точке соединения катода второго диода, входа триггера Шмитта и третьего резистора.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения.
На фиг. 2 представлены временные диаграммы работы стабилизированного преобразователя постоянного напряжения.
Осуществление полезной модели
Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (фиг. 1) содержит источник 1 постоянного напряжения, параметрический стабилизатор 2 напряжения, триггер Шмитта 3, первый, резисторы 4, 15 и 16, конденсаторы 5 и 19, ключ 6, импульсный трансформатор 7, вторичные обмотки 8.1, 8.2 и 18 импульсного трансформатора, выпрямители 9.1 и 9.2, фильтры 10.1 и 10.2, нагрузки 11.1 и 11.2, диоды 12 и 14, интегрирующая КС-цепь 13, пары однотипных стабилитронов 17.1, 21.1 и 17.2, и 21.2, точку 20 соединения резисторов 4, 16 и конденсатора 5, причем: между первым и вторым выводами источника 1 постоянного напряжения включен параметрический стабилизатор 2 напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта 3, второй вывод питания которого подключен к второму выводу источника 1 постоянного напряжения непосредственно, а инверсный выход - через последовательно соединенные резистор 4 и конденсатор 5 и непосредственно соединен с входом управления ключа 6, первый вывод которого соединен с вторым выводом источника 1 постоянного напряжения, второй вывод - с первым выводом источника 1 постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора 7; вторичные обмотки 8.1 и 8.2 импульсного трансформатора 7, каждая через последовательно соединенные выпрямитель 9.1, 9.2, выполненных по мостовой схеме, и фильтр 10.1, 10.2 подключена к соответствующей нагрузке 11.1, 11.2; первый вывод дополнительной вторичной обмотки 18 импульсного трансформатора 7 подключен к второму выводу источника 1 постоянного напряжения, а второй вывод - к аноду диода 12, катод которого подключен через конденсатор 19 к второму выводу источника 1 постоянного напряжения и через последовательно соединенные резистор 15 и две пары встречно включенных однотипных стабилитронов 17.1, 21.1 и 17.2, 21.2, к входу триггера Шмитта 3 и катоду диода 14, анод которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи 13, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта 3, вход которого через резистор 16 подключен к точке 20 соединения резистора 4 и конденсатора 5.
Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.
На фиг. 2 представлены временные диаграммы, где:
U11 - стабилизированное напряжение на любой из нагрузок 11.1, 11.2 с учетом пудьсаций, для наглядности они увеличены и зависят от параметров фильтра 10.1, 10.2;
U20 - напряжение автогенерации в суммирующей токи заряда конденсатора 5 точке 20 с учетом гистерезиса (0,9 В) триггера Шмитта 3, порог включения которого равен 3,2 В, порог выключения равен 2,3 В при питании его от параметрического стабилизатора 2 напряжением 5 В, величины которых неизменны при любом изменении напряжения источника 1 постоянного тока;
U3 - напряжение на выходе триггера Шмитта 3 и управляющем входе ключа 6, поступающее с управляемого автогенератора, включающего триггер Шмитта 3 и цепи обратной связи;
I 6 - ток в цепи первичной обмотки импульсного трансформатора 7;
U1 - напряжение источника 1 постоянного напряжения;
U6 - напряжение на выходе ключа 6, подключенного к первичной обмотке импульсного трансформатора 7.
Наращиванием числа стабилитронов 17.1, 17.2 в цепи дополнительной обмотки 18 подбирается необходимое напряжение стабилизации и обеспечивается оптимальная величина коэффициента полезного действия.
Обратная связь по напряжению обеспечивается за счет дополнительной обмотки 18 импульсного трансформатора 7. Напряжение источника 1 постоянного тока приложено к первичной обмотке, другой выход которой подключен к выходу ключа 6. При среднем значении напряжения источника 1, равном U1=20 В, коммутация ключа 6 происходит с частотой 25 кГц, скважность импульсов U3, I6 близка к двойке, что задается генератором на инвертирующем триггере Шмитта 3 с тремя цепями обратной связи. Это постоянно работающая, основная цепь: «резистор 4 - конденсатор 5». Это дополнительная цепь: «интегрирующая RC-цепь 13 - диод 14 - резистор 16», особенно эффективно вступающая в процесс стабилизации при понижении напряжения источника 1 ниже 20 В, вплоть до 13 В (скважность импульсов U3, U6, I6 при этом уменьшается, см. фиг. 2). Эта дополнительная цепь первичной обратной связи: «обмотка 18 - диод 12 -конденсатор 19 - резистор 15 - стабилитроны 17.1, 20.1, 17.2, 20.2 - резистор 16», работающая во всем диапазоне напряжений U1 от 13 до 30 В и выше. Напряжение с вторичных обмоток 8.1, 8.2 трансформатора 7 выпрямляются мостовыми выпрямителями 9.1, 9.2, фильтруются фильтрами 10.1, 10.2 и поступают в нагрузку 11.1, 11.2. Напряжение обратной связи с обмотки 18 фильтруется конденсатором 19. Регулирование происходит таким образом, что на конденсаторе 19 поддерживается напряжение
U19=2,55B+Uст.1 +Uст.2,
где 2,55В - среднее напряжение в точке 20 (усредненное значение пороговых напряжений триггера Шмитта 3);
Uст.1+Uст.2 _ напряжение двух последовательно включенных стабилитронов 17.1, 17.2.
Когда выпрямленное напряжение первичной обратной связи на конденсаторе 19 достигает рабочего уровня в суммирующую точку 20 начинает протекать ток управления. Рост усредненного значения тока управления происходит при увеличении напряжения (U1=30 В, фиг. 2) источника 1 и (или) уменьшении нагрузки, что приводит к увеличению скважности импульсов, управляющих работой ключа 6. Этот процесс продолжается до достижения выходным напряжением (U19, U11) точки стабилизации. Уровень выходного напряжения определяется соотношением витков обмотки 18 обратной связи и витков вторичных обмоток 8.1, 8.2. Противоположное изменение усредненного значения тока управления в точке 20 происходит при уменьшении напряжения (U1 =13 В, фиг. 2) источника 1 и (или) увеличении нагрузки, что приводит к уменьшению скважности импульсов (U3, U6 , I6), управляющих работой ключа 6. Этот процесс продолжается до достижения выходным напряжением (U19, U11 ) точки стабилизации. При более точном описании следует учесть также и изменение частоты коммутации силового ключа 6, но при этом пульсация выходных напряжений на нагрузках 11.1, 11.2 - неизменна по амплитуде, это - достоинство. При напряжении U 1=13 В - частота коммутации равна 50 кГц, при напряжении U1=30 В - частота коммутации равна 10 кГц, при напряжении U1=20 В - частота коммутации равна 25 кГц.
Поскольку все обмотки 8.1, 8.2 в том числе и регулировочная дополнительная вторичная обмотка 18 принадлежат одному трансформатору 7, то напряжения на них изменяются синхронно, а скважность и частота импульсов изменяются в противоположную, компенсирующую сторону, чем и обеспечена стабилизация всех напряжений на нагрузках 11.1, 11.2 от одной обмотки 18 в цепи первичной трансформаторной обратной связи. Она включена на триггер Шмита 3, имеющий свою основную и дополнительную (стабилизирующую) цепь обратной связи. Резисторы 15 и 16 помимо участия в цепях обратных связей играют еще и роль ограничительных для токов во входную цепь микросхемы триггера Шмитта 3. При такой организации цепей обратной связи пульсации на нагрузке 11.1, 11.2 минимальны, а коэффициент стабилизации по току и напряжению - максимален в широком диапазоне рабочих выходных токов нагрузок 11.1, 11.2 и напряжений источника 1.
В случае прототипа, приемлемая температурная стабильность выходного напряжения обеспечивается при использовании в качестве стабилитронов 17.1, 17.2, стабилитронов с напряжением стабилизации близким к 6 В. Так как лишь в этом случае стабилитроны имеют температурный коэффициент напряжения стабилизации стремящийся к нулю (см. П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники», М.: Мир, 1998 г., с.350). Соответственно, при других напряжениях стабилизации, значительный температурный коэффициент напряжения стабилизации приводит к ограничению диапазона рабочих температур устройства.
Использование в качестве стабилитронов 17.1, 17.2, лавинных стабилитронов, то есть стабилитронов с напряжением стабилизации более 6 В, характеризуемых положительным коэффициентом напряжения стабилизации (см. П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники», М.: Мир, 1998 г., с. 351), и стабилитронов 21.1, 21.2, однотипных стабилитронам 17.1, 17.2, но включенных им встречно (в прямом направлении), а значит характеризуемых отрицательным коэффициентом напряжения стабилизации (см. Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. «Электропитание устройств связи», М.: Связь, 1975 г., с. 184), обеспечивает взаимную компенсацию температурных коэффициентов напряжения стабилизации стабилитронов 17.1, 21.1, 17.2, 21.2, а значит и расширение диапазона рабочих температур устройства, что существенно расширяет функциональные возможности предлагаемого стабилизированного преобразователя постоянного напряжения
Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий источник постоянного напряжения, подключенный к параметрическому стабилизатору напряжения, выход которого подключен к выводу питания триггера Шмитта, инверсный выход которого через последовательно соединенные первые резистор и конденсатор подключен к другому выводу источника постоянного напряжения и непосредственно соединен с входом управления ключа, вывод которого соединен с первым выводом источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, по крайней мере, одну вторичную обмотку импульсного трансформатора, которая через последовательно соединенные, соответствующие выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, дополнительную вторичную обмотку импульсного трансформатора, подключенную к аноду первого диода, катод которого подключен к фильтрующему конденсатору и через второй резистор к катоду, по крайней мере, одного стабилитрона, второй диод, анод которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта, вход которого непосредственно соединен с катодом второго диода, и через третий резистор подключен к точке соединения первых резистора и конденсатора, отличающийся тем, что в устройство введен, по крайней мере, второй стабилитрон однотипный первому, причем введенный стабилитрон включен встречно первому стабилитрону, анодом к аноду первого стабилитрона, а катодом к точке соединения катода второго диода, входа триггера Шмитта и третьего резистора.
