Однотактный преобразователь постоянного напряжения

 

Использование: вторичные источники электропитания. Сущность изобретения: позволяет повысить стабильность выходного напряжения и КПД преобразователя путем введения дополнительных элементов, обеспечивающих уменьшение влияния режимов работы элементов цепи контроля входного тока на цепь измерения выходного напряжения и снижение потерь мощности на выходе цепи измерения выходного напряжения. Преобразователь работает в режиме автогенератора, в котором при открытом транзисторе 1 дроссель 3 накапливает энергию, а после его закрывания отдает накопленную энергию в цепь нагрузки 21. В момент, когда напряжение на выходе преобразователя достигает заданного уровня, срабатывает пороговая цепь 17 и транзистор 13 закрывается. Далее увеличивается напряжение на конденсаторе 10 и в результате увеличения омического сопротивления цепи резистор 9 - конденсатор 10 уменьшается ток во входной и выходной цепях преобразователя и увеличивается его рабочая частота. В схеме начинает действовать отрицательная обратная связь, обеспечивающая стабилизацию выходного напряжения во всем диапазоне изменения нагрузки 21. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах вторичного электропитания, в частности в сетевых источниках питания.

Известен однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий транзистор, включенный последовательно с первичной обмоткой дросселя и датчиком тока, цепь измерения выходного напряжения и его сравнения с напряжением, пропорциональным сигналу датчика тока, и выходную цепь [1].

Недостаток такого преобразователя связан с тем, что сигнал датчика тока, используемый для стабилизации выходного напряжения, не обеспечивает защиту транзистора по току в переходных режимах работы преобразователя. Это приводит к снижению его надежности. Кроме того, взаимное влияние цепей измерения входного тока и выходного напряжения в ряде случаев вызывает неустойчивый режим работы преобразователя, что приводит к росту пульсаций выходного напряжения и уровня создаваемых преобразователем электромагнитных помех.

Известен также однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, включенный последовательно с первичной обмоткой дросселя, цепь контроля входного тока, цепь активного запирания силового транзистора, цепь измерения выходного напряжения и выходную цепь [2].

Такой преобразователь из-за влияния цепи измерения выходного напряжения на цепь контроля входного тока обычно работает в неустойчивом релейном режиме, что вызывает рост пульсаций выходного напряжения и уровня создаваемых преобразователем электромагнитных помех.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является преобразователь, содержащий N силовых транзисторов, включенных последовательно с первичной обмоткой дросселя, датчик входного тока, управляющий транзистор, вход которого через управляющий резистор подключен к датчику тока, цепь активного запирания силовых транзисторов, цепь измерения выходного напряжения и выходную цепь [3].

Недостатком этого преобразователя является невысокая стабильность выходного напряжения в диапазоне изменения тока нагрузки, вызванная влиянием падения напряжения на управляющем резисторе на цепь измерения выходного напряжения. Кроме того, преобразователь имеет невысокий КПД в режиме малых нагрузок из-за потерь мощности на выходе цепи измерения выходного напряжения.

Цель изобретения - создание однотактного преобразователя постоянного напряжения, в котором путем введения дополнительных элементов удалось устранить влияние элементов цепи контроля входного тока на цепь измерения выходного тока, а также уменьшить потери мощности на выходе цепи измерения выходного напряжения и благодаря этому повысить стабильность выходного напряжения и КПД преобразователя.

Для этого в однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовую цепь, состоящую из включенных между собой последовательно по меньшей мере одного транзистора, первичной обмотки дросселя и датчика тока, включенную между входными выводами преобразователя, управляющая обмотка дросселя через резистор подключена к входу транзистора, вторичная обмотка дросселя через первый диод подключена к выходным выводам преобразователя, между которыми включен первый фильтрующий конденсатор, первая пороговая цепь, вход которой включен параллельно с датчиком тока, а выход подключен к входу транзистора, измерительная обмотка дросселя через второй диод подключена к второму фильтрующему конденсатору и входу второй пороговой цепи, введены последовательная RC-цепь, включенная параллельно с датчиком тока, дополнительный транзистор, выход которого включен параллельно с конденсатором RC-цепи, и дополнительная управляющая обмотка, подключенная через дополнительный резистор к входу дополнительного транзистора, который соединен с выходом второй пороговой цепи.

Дополнительная управляющая обмотка дросселя может быть совмещена с измерительной обмоткой дросселя.

По сравнению с известным устройством в предлагаемом преобразователе уменьшено влияние режима работы элементов цепи контроля входного тока на цепь измерения выходного напряжения и значительно снижены потери мощности на выходе цепи измерения выходного напряжения путем введения последовательной RC-цепи, дополнительного транзистора, дополнительной управляющей обмотки, причем достигаемый эффект оказывается тем выше, чем больше коэффициент усиления дополнительного транзистора. Это дает возможность повысить стабильность выходного напряжения и КПД преобразователя.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - вариант схемы преобразователя с совмещенными дополнительной управляющей и измерительной обмотками дросселя; на фиг.3 - временные диаграммы токов и напряжений, поясняющие его работу.

Преобразователь содержит транзистор 1, включенный последовательно с обмоткой 2 дросселя 3 и резистором 4, управляющая обмотка 5 дросселя 3 через резистор 6 соединена с базой транзистора 1, к которой подключен пусковой резистор 7. Параллельно с резистором 4 включены вход пороговой цепи 8 и последовательная RC-цепь, содержащая резистор 9 и конденсатор 10, управляющая обмотка 11 дросселя 3 через резистор 12 подключена к входу транзистора 13, выход которого соединен параллельно с конденсатором 10, измерительная обмотка 14 дросселя 3 через диод 15 подключена к фильтрующему конденсатору 16 и входу пороговой цепи 17, вторичная обмотка 18 дросселя 3 через диод 19 подключена к фильтрующему конденсатору 20. Позицией 21 обозначена нагрузка преобразователя.

В качестве первичного источника питания может быть использован сетевой выпрямитель, в состав которого может входить выпрямительный мост 22 и фильтрующий конденсатор 23.

Преобразователь работает следующим образом.

Благодаря наличию в схеме положительной обратной связи, осуществляемой по цепи транзистор 1 - обмотка 2 дросселя 3 - обмотка 5 дросселя 3 - резистор 6 - транзистор 1 устройство работает в режиме автогенератора, возбуждение колебаний которого осуществляется автоматически, причем использование пускового резистора 7 повышает надежность его запуска.

В момент t_o возбуждения колебаний транзистор 1 открывается, к обмотке 2 дросселя 3 прикладывается напряжение U₁ (см. фиг.3) и напряжением обмотки 11 дросселя 3 открывается транзистор 13. Далее через обмотку 2, транзистор 1 и цепь, включающую в себя резисторы 4,9, конденсатор 10 и транзистор 13, начинает протекать линейно нарастающий ток I₁, увеличивая напряжение U₂ на резисторе 4. При этом омическое сопротивление цепи резистор 9 - конденсатор 10, транзистор 13, шунтирующий резистор 4 оказывается минимальным и примерно равным сопротивлению резистора 9 (поскольку транзистор 13 открыт).

В момент t₁ напряжение U₂ достигает уровня U_n, при котором срабатывает пороговая цепь 8, вызывая закрывание транзистора 1. Поскольку сопротивление цепи, шунтирующей резистор 4, минимально, то ток I₁ в момент t₁ достигает максимально возможной величины. При этом изменяется полярность напряжения на обмотках дросселя 3, ток I₁ становится равным нулю, а в цепи обмотка 18 дросселя 3 - диод 19 - конденсатор 20 - нагрузка 21 появляется ток I₂ и далее дроссель 3 отдает накопленную энергию в цепь нагрузки 21, повышая напряжение U₃ на выходе устройства.

В момент t₂ дроссель 3 полностью отдает накопленную энергию в цепь нагрузки 21, под действием положительной обратной связи снова изменяется полярность напряжения на обмотках дросселя 3, что приводит к открыванию транзисторов 1 и 13, и процесс повторяется.

В момент t₃ напряжение U₃ на выходе преобразователя достигает заданного уровня U_вых, при котором срабатывает пороговая цепь 17, на вход которой поступает пропорциональное напряжению U₃ напряжение измерительной цепи (обмотка 14 дросселя 3, диод 15, конденсатор 16), и транзистор 13 закрывается.

В момент t₄, когда в очередной раз открывается транзистор 1, транзистор 13 остается закрытым и ток I₁, протекая через резисторы 4,9 и конденсатор 10, увеличивает напряжение U₄ на конденсаторе 10 и омическое сопротивление цепи резистор 9 - конденсатор 10. Поскольку величина тока I_n1, вызывающая срабатывание пороговой цепи 8, определяется соотношением i_n1= + где R₁ и R₂ - величины сопротивления резисторов 4 и 9 соответственно, то увеличение напряжения U₄ приводит к уменьшению тока i_n1 и соответствующему уменьшению тока i₂ в выходной цепи преобразователя и увеличению его рабочей частоты.

В момент t₅ ток i_n1 достигает значения, при котором рост напряжения U₃ на выходе преобразователя прекращается, транзистор 13 приоткрывается и в схеме преобразователя начинает действовать отрицательная обратная связь за счет изменения омического сопротивления транзистора 13, поддерживающего напряжение U₄ на конденсаторе 10 на уровне, обеспечивающем поддержание напряжения U₃ на нагрузке 21 на заданном уровне U_вых. В дальнейшем преобразователь работает аналогично, стабилизируя за счет действия отрицательной обратной связи выходное напряжение U₃ во всем диапазоне изменения нагрузки 21.

Величина сопротивления резистора 4 выбирается из условия получения необходимого выходного тока при максимальном сопротивлении нагрузки 21 и полностью закрытом транзисторе 13, а величина сопротивления резистора 9 - из условия получения необходимого выходного тока при минимальном сопротивлении нагрузки и полностью открытом транзисторе 13.

Как следует из принципа работы преобразователя, обмотки 11 и 14 дросселя 3 могут быть совмещены. Это способствует повышению технологичности изготовления дросселя 3.

При использовании в качестве первичного источника питания сетевого выпрямителя 22 устройство может работать без фильтрующего конденсатора 23. В этом случае на вход преобразователя поступает низкочастотное периодически повторяющееся напряжение колоколообразной формы и преобразователь работает в режиме периодического возбуждения и срыва колебаний на каждом периоде входного напряжения, причем в промежутках между очередным срывом и возбуждением колебаний выходные ток и напряжение поддерживаются на заданном уровне за счет энергии, накапливаемой в конденсаторе 20.

Для уменьшения низкочастотной пульсации выходного напряжения, возникающей из-за перерывов в работе преобразователя, может быть использован дополнительный узел (например, линейный стабилизатор напряжения), включаемый между выходными выводами преобразователя и нагрузкой.

Таким образом, в предлагаемом устройстве стабилизация выходного напряжения осуществляется незначительным изменением выходного напряжения измерительной цепи (при увеличении коэффициента усиления транзистора 13 это изменение стремится к нулю), причем управление транзистором 13 осуществляется относительно небольшим током (который также уменьшается при увеличении коэффициента усиления транзистора 13), что способствует уменьшению потерь мощности на выходе цепи измерения выходного напряжения. Благодаря этому повышена по сравнению с известным устройством стабильность выходного напряжения и КПД преобразователя.

Кроме того, достоинством варианта предлагаемого преобразователя, приведенного на фиг.2, является схемная простота, позволяющая снизить его массу, габариты и стоимость. Возможность работы преобразователя от сетевого выпрямителя без фильтрующего конденсатора (низкочастотного) позволяет при использовании высокочастотного входного фильтра повысить равномерность потребления тока от сети и благодаря этому повысить электромагнитную совместимость преобразователя с питающей сетью.

Формула изобретения

1. ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий силовую цепь, состоящую из включенных между собой последовательно по меньшей мере одного транзистора, первичной обмотки дросселя и датчика тока, включенную между входными выводами преобразователя, управляющая обмотка дросселя через резистор подключена к входу транзистора, вторичная обмотка дросселя через первый диод подключена к выходным выводам преобразователя, между которыми включен фильтрующий конденсатор, первая пороговая цепь, вход которой включен параллельно с датчиком тока, а выход подключен к входу транзистора, измерительная обмотка дросселя через второй диод подключена к второму фильтрующему конденсатору и входу второй пороговой цепи, отличающийся тем, что в него введены последовательная RS - цепь, включенная параллельно с датчиком тока, дополнительный транзистор, выход которого включен параллельно с конденсатором RS - цепи, и дополнительная управляющая обмотка, подключенная через дополнительный резистор к входу дополнительного транзистора, который соединен с выходом второй пороговой цепи.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что дополнительная управляющая обмотка дросселя совмещена с измерительной обмоткой дросселя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3