Ключевой регулятор напряжения

 

Использование: для питания устройств автоматики и электропривода с реверсивными двигателями постоянного тока, а также для питания установок нанесения гальванических покрытий. Сущность изобретения: регулятор содержит три транзисторных ключевых элемента 1-3, дроссель 4, силовой диод 5, конденсатор 6 и блок управления 7, Новым является введение двух ключевых элементов 19, 20 и снабже

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)з G 05 F 1/56

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАтент cccp) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4908850/07 (22) 08.02.91 (46) 07.07.93, Бюл. М 25 (71} Центральное научно-производственное объединение "Ленинец" (72) В.С.Уманский (56) Авторское свидетельство СССР

hh ИБ1675, кл. И 02 M 7/537, 1982, Авторское свидетельство СССР

N. 1541738. кл. Н 02 M 7/538, 1987.

Авторское свидетельство СССР

М 943682, кл. G 05 F 1/569, 1980.

Г, 5U 1826078 А1 (54) КЛЮЧЕВОЙ РЕГУЛЯТОР НАГ1РЯЖЕНИЯ. (57) Использование: для питания устройств автоматики и электропривода с pesepc s ными двигателями постоянного тока, а также для питания установок нанесения гальванических покрытий. Сущность изобретения: рвгуиятор содержит три транзисторных ключевых фявманта 1-3, дроссель

4, силовой диод 5, конденсатор 6 и блок управления 7. Новым является введение двух ключевых элементов 19, 20 и снабже1826078

20

30

45 ние блока управления узлом для выделения абсолютной величины напряжения

31, широтно-импульсным модулятором

32, логи вским элементом ИЛИ 33 и дискриминатором полярности напряжения 34 с соответствующими связями. В результате структура регулятора автоматически изменяется с изменением полярностиуправляюИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания различного рода устройств автоматики с реверсивными двигателями постоянного тока, а также для питания технологических установок для нанесения гальванических покрытий.

Целью изобретения является получение регулируемого выходного напряжения с изменяющейся полярностью относительно общей шины в зависимости от величины и полярности управляющего напряжения при неизменной полярности входного напряжения.

На чертеже показана принципиальная электрическая схема предлагаемого ключе,вого регулятора напряжения.

Предлагаемый ключевой регулятор напряжения содержит аналогично прототипу первый 1, второй 2 и третий. 3 ключевые элементы, дроссель 4. силовой диод 5, конденсатор 6 и блок 7 управления с первым 8, вторым 9 и третьим 10 выходами, входной вывод 11, общую шину:12 и выходной вывод

13, Первый ключевой элемент 1 содержит силовой транзистор 14, второй ключевой элемент 2 выполнен на последовательно соединенных диоде 15 и транзисторе.16. Третий ключевой элемент 3 выполнен .на транзисторе 17 и диоде 18, соединенных встречно-параллельно.

В отличие от прототипа.в ключевой регулятор введены четвертый 19 и пятый 20 ключевые элементы, блок 7 управления снабжен управляющим 21 и дополнительным 22 входами и четвертым выходом 23.

Первый 1, второй 2, четвертый 19 и пятый 20 ключевые элементы снабжены оптопарами

24...27. Четвертый ключевой элемент 19 содержит транзистор 28. Пятый ключевой элемент 20 выполнен на последовательно соединенных диоде 29 и транзисторе 30.

Блок 7 управления состоит из узла 31 для выделения абсолютной величины напряжения. широтно-импульсного модулятора 32, логического элемента ИЛИ 33 и дискримищего напряженйя, При его положительной полярности регулятор выдает регулируемое напряжение положительной полярности.

При отрицательной полярности управляющего напряжения регулятор становится полярно-инвертирующим и его выходное напряжение имеет отрицательную полярность. 1 ил. натора 34 полярности напряжения в составе нуль-компараторов 35, 36. Имеется также резистор 37. При этом аналогично прототипу первый и второй силовые выводы первого ключевого элемента 1 (т.е. эмиттер и коллектор транзистора 14) подключены соответственно к точке соединения первого вывода дросселя 4 к первому силовому выводу второго ключевого элемента 2 (т.е. к катоду диода 15) и к входному выводу 11. Второй силовой вы вод второго ключевого элемента

2 (коллектор транзистора 16) соединен с общей шиной 12 и с первым силовым выводом третьего ключевого элемента (т.е. с эмиттером транзистора 17 и анодом диода 18), второй силовой вывод которого (коллектор транзистора 17 и катод диода 18) подключен к второму выводу дросселя 4. Конденсатор

6 включен между общей шиной 12 и выходным.выводом 13, с которым соединен первый вывод (катод) силового диода 5, Первый

8, второй 9 и третий 10 выходы блока 7 управления подключены к управляющим входам соответственно первого 1, второго 2 и третьего 3 ключевых элементов (т.е. к светоизлучателям оптопар 24, 25 и базе транзистора 17), Свободные выводы диода 15 (катод) и транзистора 16 (коллектор) использованы соответственно в качестве первого и второго силовых выводов второго ключевого элемента 2.

В отличие от прототипа светоизлучатели оптопар 24...27 использованы в качестве управляющих входов соответствующих ключевых элементов 1, 2. 19 и 20, Первый силовой вывод четвертого ключевого элемента

19 (коллектор транзистора 28) подключен к точке соединения дросселя 4 с третьим ключевым элементом 3, а второй силовой вывод (эмиттер транзистора 28) — к второму выводу (аноду) силового диода 5, Первый и второй силовые выводы пятого ключевого элемента

20 соединены соответственно с первым выводом дросселя 4 и с выходным выводом 13.

Свободные выводы транзистора 30 (коллектор) и диода 29 (анод) использовэны соот1826078 ветственно в качестве первого и второго силовых выводов пятого ключевого элемента 20.

Вход узла 31 для выделения абсолютной величины напряжения соединен с входом дискриминатора 34 полярности напряжения и использован в качестве управляющего входа блока 7 управления, соединенного с введенным входом 21 для подключения внешнего источника управляющего напряжения + Eynp с изменяющейся полярностью. Выход узла 31 для выделения абсолютной величины напряжения подключен к входу широтно-импульсного модулятора 32, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ 33 и использован в качестве первого выхода 8 блока 7 управления. Выходы напряжения положительной и отрицательной полярности дискриминатора 34 использованы соответственно в качестве второго 9 и четвертого 23 выходов блока 7 управления, а выход логического элемента ИЛИ 33 — в качестве третьего выхода 10 блока 7 управления. Четвертый выход 23 блока 7 через управляющий вход пятого ключевого элемента 20 (через светоизлучатель 27) подключен к дополнительному входу 22 блока 7, в качестве которого использован второй вход логического элемента ИЛИ 33. Управляющий вход четвертого ключевого элемента

19 (светоизлучатель оптопары 26) через управляющий вход второго ключевого элемента 2 (светоизлучатель оптопары 25} соединен с вторым выходом 9 блока 7 управления. Дополнительный вход 22 блока

7 зашунтирован резистором 37. Фототранзисторы в оптопарах 24...27 могут быть соединены с транзисторами 14, 25, 28 и 30, например, по схеме Дарлингтона. Выполнение узла 31 описано. Широтно-импульсный модулятор 32 может быть выполнен, например, на основе использования микросхемы типа. 1114 ЕУЗ по техническим условиям б К0.347.300-02 ТУ.

Предлагаемый ключевой регулятор напряжения работает следующим образом.

При поступлении на вход 21 блока 7 управляющего напряжения Еулр с положительной полярностью на выходе неинвертирующегО нуль-компаратора 35 в дискриминаторе 34 появляется постоянное напряжение логической единицы, Оно через светоизлучатель в оптопаре 25 поступает на светоизлучатель оптопары 26. В результате обеспечивается постоянное 0Тпирэние транзисторов 16 и 28 в ключевых элементах 2 и 19. Выходное напряжение инвертирую щего нуль-комоаратора 36 при этом имеет уровень логического нуля (или отрицательную полярность), Как следствие, оптопвра 27 и транзистор 30 в ключевом элементе 20 остаются запертыми. В этих условиях предлагаемый регулятор имеет структуру, обеспечивающую широкодиапазонное регулирование выходного напряжения Ев х на выводе 13 без инверсии полярности. При этом напряжение питания на выводе 11 может быть как больше, так и меньше. чем выходное напряжение Е»х.

На выходе узла 31 для выделения абсолютной величины напряжения существует напряжение положительной полярности

E31 = Eynp, котоРое постУпает на вхоД широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 32.

От выхода этого модулятора импульсное напряжение Езг с ШИМ поступает одновременно на управляющие входы ключевых элементов 1 и 3 (на вход последнего — через логический элемент ИЛИ 33). В результате синхронного отпирания. ключевых элементов 1 и 3 через обмотку дросселя 4 протекают пилообразные импульсы тока l4, Цепь протекания тока 14, вывод 11 — открытый ключ 1 — обмотка дросселя 4 — открытый ключ 3. Ключ 2 остается при этом запертым, так как на катоде диода 15 существует положительное напряжение, примерно равное напряжению питания. Диод 5 при этом заперт, поскольку на его катоде существует положительное выходное напряжение Е х.

Ключевой элемент 20 также остается запертым.

30

35 ао

В момент окончания очередного импульса Езг на выходе модулятора 32 транзисторы 14 и 17 в ключевых элементах 1 и 3 практически одновременно запираются, к этому моменту в индуктивности дросселя 4 накоплена некоторая энергия, Под ее действием возникает ЭДС самоиндукции и ток начинает протекать по цепи: шина 12 — открытые фототранзистор оптопары 25 и транзистор 16 в ключевом элементе 2 — диод 15 в том же элементе — дроссель 4 — открытый транзистор 28 в ключевом элементе

19 — диод 5 — конденсатор 6, зашунтированный внешней нагрузкой — шина 12. Таким образом, на конденсаторе 6 и на внешней нагрузке, подключенной к выводу 13 и к общей шине 12, поддерживается выходное напряжение Е х положительной полярности. Поскольку скважность импульсов

Е32 с ШИМ, вырабатываемых в модуляторе

32, зависит от.величины управляющего напряжения Еулр, то выходное напряжение

Евых может регулироваться путем изменения величины Еулр.

1826078

При поступлении управляющего напряжения Еу1р < 0 с отрицательной полярностью на вход инвертирующего нуль-компаратора 36 в дискриминаторе,34 на его выходе появляется постоянное на° пряжение логической единицы, которое поступает на выход 23 блока 7 и через светоизлучатель в оптопаре 27 поступает на выход 22 блока 7 и на первый вход логического элемента ИЛИ 33. Этим обеспечивается режим постоянного отпирания транзисторов 30 и 17 в ключевых элементах

20 и 3, Напряжение на выходе неинвертирующего компаратора 35 в дискриминаторе 34 в этих условиях имеет уровень логического нуля (или оно имеет отрицательную полярность), поэтому ключевые элементы 2 и 19 остаются запертыми, На выходе узла 31 выделения абсолютной величины управляющего напряжения в этих условиях, когда Еупр < О, существует напряжение положительной полярности

Ез1 - Еу р, поступающего на вход модулятора ШИМ 32;. от его выхода импульсное напряжение Езг с LUVIM обеспечивает отпирание ключевого элемента 1. Так как ключевые элементы 3 и 20 постоянно открыты, то предлагаемый регулятор при Еудр < 0 приобретает структуру, обеспечивающую инверсию полярности выходного напряжения ..Ев х по отношению к полярности напряже-. ния питания. Таким образом, во время импульсов Езг c LLINM ток протекает по цепи: вывод 11 — транзистор 14 в ключевом элементе 1 — дроссель 4 — транзистор 17 в ключевом элементе 3 — шина 12. В момент окончания импульса Езг транзистор 14 запирается, и под.действием ЭДС самоиндукции, возникающей в дросселе 4, начинается протекание тока по цепи: правый вывод обмотки дросселя 4 — открытый транзистор 17 в ключевом элементе 3 — шина

12 — конденсатор 6 — диод 29 — открытый транзистор 30 — левый вывод обмотки дросселя 4. Диоды 5 и 19 остаются при этом запертыми, Таким образом на конденсаторе 6 и на нагрузке поддерживается выходное напряжение с отрицательной полярностью. Его абсолютная величина аналогично описанному выше может регулироваться путем изменения абсолютной величины напряжения Åó ð.

Итак, положительный технический эффект от использования предлагаемого ключевого регулятора состоит в возможности получения регулируемого выходного напряжения с изменяющейся полярностью относительно общей шины в зависимости от величины и полярности управляющего напряжения, Тэкой регулятор имеет расши5

55 ренные области применения, в частности, в устройствах электропривода лостоянного тока. с

Формула изобретения

Ключевой регулятор напряжения, содержащий первый, второй и третий ключевые элементы, дроссель, силовой диод, конденсатор и блок управления, причем первый и второй силовые выводы первого ключевого элемента подключены соответственно к точке соединения первого вывода дросселя с первым силовым выводом второго ключевого элемента и к входному выводу, второй силовой вывод второго ключевого элемента соединен с общей шиной и с первым силовым выводом третьего ключевого элемента, второй силовой вывод которого подключен к второму выводу дросселя, конденсатор включен между общей шиной и выходным выводом, с которым соединен первый вывод силового диода, первый; второй и третий выходы блока управления подключены к управляющим входам соответственно первого, второго и третьего ключевых элементов, а второй ключевой элемент выполнен на последовательно соединенных первом диоде и первом транзисторе, при этом свободные выводы первого диода и первого транзистора использованы соответственно в качестве первого и второго силовых выводов второго ключевого элемента, отличающийся тем, что, с целью получения регулируемого выходного напряжения с изменяющейся полярностью относительно общей шины в зависимости от величины и полярности управляющего напряжения при неизменной полярности входного напряжения, в него введены четвертый и пятый ключевые элементы, блок управления снабжен управляющим и дополнительным входами и четвертым выходом, а первый, второй, четвертый и пятый ключевые элементы снабжены оптопарами, светоизлучатели которых использованы в качестве управляющих входов соответствующих ключевых элементов, причем первый силовой вывод четвертого ключевого элемента подключен к точке соединения дросселя с третьим ключевым элементом, а второй силовой вывод — к второму выводу силового диода, первый и второй силовые выводы пятого ключевого элемента соединены соответственно с первым выводом дросселя и с выходным выводом, при этом пятый ключевой элемент выполнен на последовательно соединенных втором диоде и втором транзисторе. а свободные выводы второго транзистора и второго диода использованы соответственно в к; честве первого и второго силовых гн, над ч пятого

1826078

Составитель 8; Уманский

Техред М,Моргентал Корректор С. Шекмар

Редактор С. Никольская

Заказ 2319 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по йзобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ключевого элемента, кроме того, блок управления состоит из узла для выделения абсолютной величины напряжения, широтно-импульсного модулятора, логического элемента ИЛИ и дискриминатора полярности напряжения, причем вход узла для выделения абсолютной величины напряжения соединен с входом дискриминатора полярности напряжения и использован в качестве управляющего входа блока управления, соединенного с введенным выводом для подключения внешнего источника управляющего напряжения с изменяющейся полярностью, выход узла для выделения абсолютной величины напряжения подключен к входу широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ и использован в качестве первого выхода блока управления, вы- ходы напряжения положительной и отрицательной полярности дискриминатора полярности напряжения использованы со5 ответственно в качестве второго и четвертого выходов блока управления, а выход логического элемента ИЛИ вЂ” в качестве третьего выхода блока управления, четвертый выход блока управления через уп10 равляющий вход пятого ключевого элемента подключен к дополнительному входу блока управления. в качестве которого использован второй вход логического элемента ИЛИ, а управляющий вход второ15 го ключевого элемента через управляющий вход второго ключевого элемента соединен с вторым выходом блока управления.