стабилизированный преобразователь напряжения с цифровыми микросхемами

Формула изобретения

1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С ЦИФРОВЫМИ МИКРОСХЕМАМИ, содержащий генератор прямоугольного напряжения с противофазными выходами, двухтактный усилитель мощности с первым и вторым транзисторами, узел для исключения сквозных токов, устройство стабилизации, источник питания микросхем и выходной трансформатор, начало и конец первичной обмотки которого подключены к коллекторам соответственно первого и второго транзисторов усилителя мощности, вторичная обмотка подключена через выпрямитель к выходу преобразователя, а дополнительная обмотка трансформатора со средним выводом крайними выводами подключена к узлу для исключения сквозных токов, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и получения нескольких стабильных напряжений, в него введены первый и второй буферные элементы с открытым коллектором, входы этих элементов подключены к выходам генератора прямоугольных напряжений, а выходы через первый и второй токоограничивающие резисторы - к базам соответственно первого и второго p-n-p-транзисторов усилителя мощности, узел для исключения сквозных токов выполнен на третьем и четвертом p-n-p-транзисторах, эмиттеры всех четырех транзисторов соединены со средним выводом дополнительной обмотки выходного трансформатора и с выходным выводом положительной полярности источника для питания микросхем, база третьего транзистора через третий и четвертый резисторы подключена соответственно к началу дополнительной обмотки выходного трансформатора и к выходу второго буферного элемента, база четвертого транзистора через пятый и шестой резисторы - соответственно к концу дополнительной обмотки и к выходу первого буферного элемента, коллекторы третьего и четвертого транзисторов соединены с базами первого и второго транзисторов усилителя мощности, выход устройства стабилизации, который выполнен в виде регулируемого формирователя напряжения отрицательной полярности, подключен к среднему выводу первичной обмотки выходного трансформатора, а вторичная обмотка этого трансформатора снабжена отводами, подключенными к выпрямителям сообразно числу требуемых выходных напряжений, и выход одного из выпрямителей по цепи обратной связи подключен к управляющему входу устройства стабилизации.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в буферные элементы введены управляющие входы, которые объединены и предназначены для подключения сигналов защиты по отклонению выходного или первичного напряжений или по току перегрузки, при этом параллельно переходам база - эмиттер первого и второго транзисторов включены седьмой и восьмой резисторы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике/ а именно к преобразующим источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Преимущественная область использования - радиоэлектронные устройства/ работающие от низковольтных первичных источников электропитания/ например аккумуляторных батарей.

Одной из задач/ решаемых при разработке двухтактных преобразователей постоянного напряжения для уменьшения внутренних потерь/ является исключение сквозных токов (токов перекрытия)/ которые могут возникнуть из-за инерционности выключения силовых трансформаторов.

Известен управляемый от внешнего источника инвертор на двух транзисторах с регулированием фазового угла режима проводимости до 180 эл.град./ в котором схема управления инвертора состоит из задающего генератора тактовых импульсов/ подключенных к нему мультивибратора и Т-триггера/ а также из двух логических элементов И/ первыми входами подключенных к взаимоинверсным выходам триггера/ вторыми входами - к выходу мультивибратора/ а выходами - к базам транзисторов инвертора (усилителя мощности). Импульсы генератора одновременно переключают Т-триггер и запускают мультивибратор/ вырабатывающий отрицательный импульс/ длительность которых устанавливают на максимально возможную величину задержки выключения транзисторов усилителя мощности. Логические элементы вычитают из начальной части каждого полупериода прямоугольного напряжения триггера отрезок/ равный длительности импульсов мультивибратора/ чтобы предотвратить одновременно открытое состояние обоих транзисторов усилителя мощности. Устройству присущ недостаток/ состоящий в том/ что временная уставка по задержке включения транзисторов усилителя мощности может быть только постоянной/ в то время/ как фактическое время выключения силовых транзисторов не постоянно/ а зависит от тока коллектора/ т.е. от величины нагрузки. В процессе ее изменения возможны как потеря формы меандра/ так и появление все же сквозных токов. Более эффективным решением задачи является автоматическое изменение времени задержки включения очередного транзистора/ исходя из действительного протягивания работы выключаемого транзистора.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное/ содержащий генератор коротких импульсов/ Т-триггер/ двухтактный усилитель мощности (силовой инвертор)/ блок расширения импульсов генератора и выходной трансформатор/ на который нагружен усилитель мощности. Генератор имеет собственный выходной трансформатор с тремя обмотками/ из которых первая подключена к входу триггера/ а две другие включены последовательно между выходами триггера и базами транзисторов усилителя мощности. Выходы триггера подключены также к входящему в блок расширения коммутатору на двух транзисторах/ шунтирующих диодные выпрямители/ подключенные к дополнительной обмотке выходного трансформатора усилителя мощности/ а выходами связаны через элемент ИЛИ с базой выходного транзистора генератора.

Каждый импульс генератора переключает триггер/ однако до тех пор/ пока импульс не окончится/ обоим транзисторам усилителя мощности выдается запирающее напряжение в базы. При очередном переключении триггера прекращается шунтирование диодного выпрямителя/ фазированного с работающим и остающимся включенным до окончания рассасывания транзистором усилителя мощности. На этом временном участке напряжение указанного выпрямителя через элемент ИЛИ поддерживает выходной транзистор генератора в открытом состоянии и его импульс/ продолжающий запирать оба транзистора усилителя мощности/ ускоряет выключение работавшего транзистора и на это же время задерживает включение другого транзистора.

Недостаток преобразователя в том/ что в схеме его генератора применяется моточный элемент (трансформатор)/ который не технологичен и в целом его элементная база устаревает. Уровень КПД обоих аналогов среднестатистический.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является стабилизированный преобразователь напряжения с цифровыми микросхемами/ состоящий из генератора прямоугольного напряжения с противофазными выходами/ двухтактного усилителя мощности с первым и вторым транзисторами/ из узла для исключения сквозных токов/ устройства стабилизации/ источника питания микросхем и из выходного трансформатора/ начало и конец первичной обмотки которого подключены к коллекторам соответственно первого и второго транзисторов усилителя мощности/ вторичная обмотка подключена через выпрямитель к выходу преобразователя/ а имеющаяся в трансформаторе дополнительная обмотка со средним выводом крайними выводами подключена к узлу для исключения сквозных токов.

В прототипе узел для исключения сквозных токов выполнен на двух трехвходовых логических элементах И/ двух элементах НЕ и двух резисторах. Дополнительных обмоток в выходном трансформаторе две/ но они эквивалентны одной/ так как начало первой из них и конец второй соединены между собой и подключены к общему проводу устройства/ Противоположные выводы этих обмоток через указанные резисторы и элементы НЕ подключены к первым входам логических элементов. Вторые их входы подключены к выходам генератора прямоугольных колебаний (тактовых импульсов). Выходы логических элементов через имеющийся в прототипе предварительный усилитель мощности подключены к базам транзисторов усилителя мощности (именуемого в описании прототипа преобразователем напряжения)/ выполняемого на n-p-n-транзисторах. Устройство стабилизации построено на последовательно соединенных усилителе рассогласования и узле для формирования дискретных управляющих импульсов/ к входу первого из которых подключена обратная связь с выхода выпрямителя/ а выход второго подключен к третьим входам логических элементов. Узел для защиты от сквозных токов действует по принципу конъюнкции каждым логическим элементом трех сигналов: от относящегося к нему элемента НЕ/ от генератора прямоугольных колебаний и от устройства стабилизации. Логическая единица от элементов НЕ может быть получена только после выключения ранее работающего транзистора усилителя мощности/ а от устройства стабилизации длительности формируемой единицы (скважность сигнала) является функцией рассогласования между заданным и фактическим значением выходного напряжения. Осуществляется таким образом широтно-импульсная модуляция/ и на половины первичной обмотки выходного трансформатора попеременно подается нестабилизированное напряжение/ входное для усилителя мощности. При широтно-импульсном управлении усилителем мощности узел для исключения сквозных токов вступает в действие только при уменьшении скважности до такой степени/ когда пауза модуляции становится меньшей времени естественного выключения транзисторов усилителя мощности.

Недостаток прототипа заключается в том/ что у него недостаточно высокий КПД и от него невозможно получить несколько стабилизированных напряжений. Первый недостаток происходит от того/ что рассасывание неосновных носителей транзисторов усилителя мощности производится через резисторы/ включенные параллельно база-эмиттерным переходам этих транзисторов. Во-первых/ рассасывание через резисторы длится относительно долго и неодинаково в обоих транзисторах. Отсюда подмагничивание сердечника выходного трансформатора и снижение КПД. Во-вторых/ присутствие резисторов параллельно переходам база-эмиттер в рабочие полупериоды приводит к выделению части мощности управляющего сигнала на этих резисторах/ что тоже снижает КПД. Второй недостаток становится ощутим/ если возникает необходимость иметь несколько выходных напряжений. Простое повторение для последующих выходов новой вторичной обмотки (или выведение отводов от имеющейся) и выпрямителей не ведет к успеху/ так как выпрямленное и отфильтрованное переменное широтно-импульсное напряжение/ не охваченное обратной связью/ очень критично к величине нагрузки. Между тем обратная связь может быть подключена лишь к одному из выходов преобразователя.

Цель изобретения - повышение КПД и получение нескольких стабилизированных напряжений.

Это достигается тем/ что в стабилизированный преобразователь с цифровыми микросхемами/ состоящий из генератора прямоугольного напряжения с противофазными выходами/ двухтактного усилителя мощности с первым и вторым транзисторами/ из узла для исключения сквозных токов/ устройства стабилизации/ источника питания микросхем и из выходного трансформатора/ начало и конец первичной обмотки которого подключены к коллекторам соответственно первого и второго транзисторов усилителя мощности/ вторичная обмотка подключена через выпрямитель к выходу преобразователя/ а имеющаяся в трансформаторе дополнительная обмотка со средним выводом крайними выводами подключена к узлу для исключения сквозных токов/ введены первый и второй буферные элементы с открытым коллектором/ входы этих элементов подключены к выходам генератора прямоугольных напряжений/ а выходы через первый и второй токоограничивающие резисторы подключены к базам соответственно первого и второго p-n-p-транзисторов усилителя мощности/ узел для исключения сквозных токов выполнен на третьем и четвертом p-n-p-транзисторах/ эмиттеры всех четырех транзисторов соединены со средним выводом дополнительной обмотки выходного трансформатора и с выходным выводом положительной полярности источника для питания микросхем/ база третьего транзистора через третий и четвертый резисторы подключена соответственно к началу дополнительной обмотки выходного трансформатора и к выходу второго буферного элемента/ база четвертого транзистора через пятый и шестой резисторы подключена соответственно к концу дополнительной обмотки и к выходу первого буферного элемента/ коллекторы третьего и четвертого транзисторов соединены с базами первого и второго транзисторов усилителя мощности/ выход устройства стабилизации/ который выполнен в виде регулируемого формирователя напряжения отрицательной полярности/ подключен к среднему выводу первичной обмотки выходного трансформатора/ а вторичная обмотка этого трансформатора снабжена отводами/ подключенными к выпрямителям сообразно числу требуемых выходных напряжений/ и выход одного из выпрямителей по цепи обратной связи подключен к управляющему входу устройства стабилизации. Кроме того/ для расширения функциональных возможностей в буферные элементы введены управляющие входы/ которые объединены и предназначены для подключения сигналов защиты по отключению выходного или первичного напряжений или по току перегрузки/ при этом параллельно переходам база-эмиттер первого и второго транзисторов подключены седьмой и восьмой резисторы.

Сущность изобретения состоит в том/ что сигналы от противофазных выходов генератора прямоугольного напряжения усиливаются введенными буферными элементами с открытыми коллекторами/ а база-эмиттерные переходы транзисторов усилителя мощности/ выбранных p-n-p-типа проводимости/ шунтируются промежутками коллектор-эмиттер транзистора узла для исключения сквозных токов/ выбранных тоже p-n-p-типа/ а питание усилителя мощности осуществляется суммарным напряжением источника питания микросхем/ к положительному выходному выводу которого обращены эмиттеры транзисторов усилителя мощности и узла для исключения сквозных токов/ и напряжения устройства стабилизации в виде регулируемого формирователя постоянного напряжения отрицательной полярности/ управляемого по цепи обратной связи от одного из нескольких выпрямителей/ подключенных к вторичным обмоткам выходного трансформатора. При этом управление транзисторами узла для устранения сквозных токов ведется через резисторы - как от дополнительной обмотки выходного трансформатора/ так и посредством перекрестных связей от выходов буферных элементов. Благодаря этому шунтирование база-эмиттерных переходов транзисторов усилителя мощности производится в нерабочие полупериоды и далее протягивается до окончания процесса рассасывания выключаемого транзистора противоположного плеча усилителя мощности.

На фиг. 1 представлена схема предложенного преобразователя напряжения; на фиг. 2 - дополнительные элементы к нему при необходимости применения в нем устройств защиты.

Стабилизированный преобразователь состоит из генератора 1 прямоугольного напряжения с противофазными выходами/ первого 2 и второго 3 буферных элементов с открытыми коллекторами и повышенной нагрузочной способностью/ из усилителя 4 мощности с первым 5 и вторым 6 p-n-p-транзисторами и первым 7/ вторым 8 резисторами/ из узла 9 для исключения сквозных токов/ в который входят третий 10 и четвертый 11 p-n-p-транзисторы/ третий 12/ четвертый 13/ пятый 14 и шестой 15 резисторы/ из выходного трансформатора 16 с первичной 17/ вторичной 18 и дополнительной 19 обмотками/ источника 20 питания микросхем/ устройства стабилизации (регулируемый формирователь 21 напряжения отрицательной полярности) и выпрямителей 22 и 23. К входным выводам стабилизированного преобразователя подключены источник 20 и формирователь 21. Выход первого из них подключен к цепям питания микросхем/ к эмиттерам транзисторов 5/ 6/ 10 и 11 и к средней точке дополнительной обмотки 19 трансформатора 16. Входы буферных элементов подключены к парафазным выходам генератора 1 прямоугольного напряжения/ а их выходы через резисторы 7 и 8 - к базам транзисторов 5 и 6 усилителя 4 мощности/ к которым подключены также коллекторы транзисторов 10 и 11 узла 9 для исключения сквозных токов. Коллекторы транзисторов 5 и 6 подключены к обмотке 17 трансформатора 16/ а к выводам той же полярности обмотки 19 через резисторы 12 и 14 подключены базы транзисторов 10 и 11/ причем между базой транзистора 10 и выходом буферного элемента 3 включен резистор 13/ а между базой транзистора 11 и выходом буферного элемента 2 включен резистор 15. К средней точке обмотки 17 трансформатора 16 подключен выход регулируемого формирователя 21 напряжения отрицательной полярности. К вторичной обмотке 18 и к ее отводам подключены выпрямители 22 и 23. Выход одного из них (23) подключен по цепи обратной связи к регулируемому формирователю 21. Для управления буферными элементами со стороны устройств защиты они снабжены управляющими входами (фиг. 2). Поскольку таковые аналогичны элементам совпадения с открытыми выходами и повышенной нагрузочной способностью/ например 2И-НЕ (555ЛА13/ К555ЛА13)/ и их применение удобно тем/ что остальные элементы корпуса микросхемы тоже могут быть использованы в других частях схемы изделия/ то на фиг. 2 применены указанные логические элементы. Вторые (управляющие) входы элементов 2 и 3 объединены между собой и предназначены для подачи на них исполнительных сигналов защиты об отклонении напряжения или о возникшей перегрузке (в случае необходимости в такой защите). Параллельно переходам база-эмиттер транзисторов 5 и 6 при этом подключены седьмой 24 и восьмой 25 резисторы.

Работает стабилизированный преобразователь следующим образом.

С появлением первичного напряжения вступает в действие источник 20 питания микросхем и регулируемый формирователь 21. От генератора 1 прямоугольного напряжения через буферные элементы 2 и 3 и через резисторы 7 и 8 от источника 20 питания микросхем возникает попеременно базовый ток транзисторов 5 и 6. Пусть первым появляется ток через выходной вывод буферного элемента 2. Уровень логического нуля на выходе этого элемента приводит к открыванию транзистора 11 (по цепи через резистор 15)/ а когда открывается транзистор 5/ то от обмотки 17 в обмотку 19 индуцируется напряжение/ также открывающее транзистор 11 через резистор 14.

Своим промежутком коллектор-эмиттер транзистор 11 шунтирует переход база-эмиттер транзистора 6.

При смене полупериодов переменного напряжения генератора 1 ток базы транзистора 5 через резистор 7 и ток на базу транзистора 11 по резистору 15 прекращаются. Но транзисторы 5 и 11 остаются еще некоторое время открытыми: транзистор 5 из-за рассасывания неосновных носителей/ а транзистор 11 из-за продолжающегося/ пока открыт транзистор 5/ индуцирования напряжения в обмотку 19/ поддерживающего транзистор 11 в открытом состоянии током/ проходящим на его базу по резистору 14. Этим предотвращается открывание транзистора 6 появившимся током от резистора 8/ в результате чего транзистор 6 имеет возможность открыться только после того/ как закрывается транзистор 5/ вслед за которым закрывается и транзистор 11. Возникший на выходе буферного элемента 3 уровень логического нуля обусловливает также ток через резистор 13 на базу транзистора 10 и он/ открываясь/ становится шунтировать база-эмиттерный переход транзистора 5/ вследствие чего процесс рассасывания транзистора 5 ускоряется. Транзистор 10 после закрывания транзистора 5 останавливается открытым за счет тока от буферного элемента 3 до конца начавшегося полупериода. Когда открывается транзистор 6/ то индуцируемое в обмотку 19 напряжение также действует на транзистор 10/ что продлевает его открытое состояние/ создавая ток на его базу через резистор 12. Следовательно/ несмотря на то/ что ток на базу транзистора 10 со стороны резистора 13 в конце полупериода прекращается/ он останавливается со стороны резистора 12 от верхней полуобмотки дополнительной обмотки 19 на время рассасывания транзистора 6/ которое начинается сразу же по исчезновении уровня логического нуля на выходе буферного элемента 3 и будет во времени сокращено начавшимся шунтированием база-эмиттерного перехода транзистора 6 промежутком коллектор-эмиттер транзистора 11.

Получается/ что каждый из транзисторов 10 и 11 работает во всех полупериодах напряжения генератора 1: с самого начала одного из полупериодов/ чтобы ускорить выключение шунтируемого им силового транзистора и часть следующего полупериода/ чтобы задержать включение этого силового транзистора на время рассасывания противоположного силового транзистора усилителя мощности/ работавшего в предшествующем полупериоде.

Таким образом/ узел 9 для исключения сквозных токов наряду с выполнением основной функции снижает время выключения силовых транзисторов/ причем для достижения этого не требуется каких-либо дополнительных активных элементов. Все это реализуется на двух транзисторах 10 и 11/ а два транзистора/ относящиеся к узлу для исключения сквозных токов/ имеются и в прототипе (на них выполнены инверторы/ ибо инверторы в виде цифровых элементов там не уместны из-за больших колебаний уровня напряжения с обмотки выходного трансформатора и его знакопеременного характера).

В качестве регулируемого формирователя 21 напряжения отрицательной полярности может быть использовано типовое устройство/ например на микросхеме A78S40.

Если взятое для обратной связи выходное напряжение стабилизированного преобразователя имеет отрицательную полярность/ то включение микросхемы известное/ но только делитель стабилизируемого напряжения подключается не к выходу самого регулируемого формирователя напряжения отрицательной полярности/ а к выбранному выходу всего преобразователя. Если же напряжение обратной связи положительной полярности/ то отличие включения такой микросхемы состоит лишь в том/ что элементы/ подключаемые к входу обратной связи микросхемы/ известны.

Стабилизация выходного напряжения получается путем регулирования скважности импульсов регулирующего элемента формирователя 21 и изменения в конечном счете напряжения на выходе формирователя. Это напряжение увеличивается при появляющейся тенденции понижения напряжения обратной связи и/ наоборот/уменьшается при обратной тенденции. В результате оно устанавливается таким/ чтобы в сумме с напряжением источника 20 обеспечивалось бы получение заданного напряжения на выходе преобразователя (охваченного обратной связью).

Наряду с выполнением транзисторами 10 и 11 основной функции - избавление транзисторов 5 и 6 от неосновных носителей и временная задержка их включения/ они в предложенной схемотехнике привносят дополнительный вклад в повышение КПД/ так как шунтирование база-эмиттерных переходов производится только в отсутствии управляющего тока со стороны буферных элементов и подгрузка этих элементов резисторами/ имеющимися в прототипе/ таким образом исключена.

Резисторы 24 и 25 (фиг.2) нужны лишь на случай остановки преобразователя при применении защиты по уровню выходного или первичного напряжению или по току перегрузки/ когда используется воздействие исполнительного сигнала такой защиты на вторые (управляющие) входы элементов 2 и 3.

Схемотехника предлагаемого преобразователя позволила согласовать выходы цифровых микросхем с усилителем мощности/ напряжение питания которого может быть существенно выше первичного (входного) и позволяет иметь выигрыш при его резких колебаниях/ например/ при питании от бортсети автомобиля/ где номинальное напряжение 12 В имеет диапазон изменения от 6 до 18 В в различных режимах работы. Применение регулируемого формирователя отрицательной полярности в этом случае позволяет иметь напряжение на усилителе мощности не менее 12 В во всем диапазоне входного напряжения/ потому что напряжение питания усилителя мощности есть суммарное напряжение от источника 20 питания микросхемы (обычно 5 В) и регулируемого формирователя 21 отрицательного напряжения/ номинальное значение которого может быть выбранным при указанных пределах входного напряжения минус 7 В. Получая таким образом повышенное напряжение питания усилителя мощности и снижая (при заданной выходной мощности) за счет этого коллекторные/ а значит и базовые токи транзисторов усилителя мощности/ удается облегчить согласование усилителя мощности с микросхемами. Надобность предварительного усилителя мощности (между микросхемами и усилителем мощности) исчезает (по крайней мере при выходной мощности преобразователя до 30-50 Вт)/ так как появляется возможность использования в усилителе мощности транзисторов с повышенным коэффициентом усиления по току (например/ транзисторы КТ825А)/ учитывая/ что повышенное время их выключения в предложенном техническом решении себя мало проявляет вследствие предпринятого шунтирования база-эмиттерных переходов транзисторами 10 и 11.

Предлагаемый преобразователь обладает тем преимуществом перед прототипом/ что/ во-первых/ повышен КПД за счет устранения подгрузки базовых цепей силовых транзисторов усилителя мощности резисторами и уменьшения различия в длительности полупериодов/ из-за которого происходит подмагничивание сердечника выходного трансформатора и/ значит/ дополнительная потеря электрической энергии/ во-вторых/ стало возможным повысить число выходных напряжений/ снимаемых с выхода стабилизированного преобразователя. Различие в длительности полупериодов снижается благодаря тому/ что они не меняются в процессе регулирования (стабилизации)/ а время выключения силовых транзисторов сокращено. Увеличение числа выходных напряжений стало возможным вследствие того обстоятельства/ что уровень выходного напряжения выпрямителя (не охваченного обратной связью) прямоугольного напряжения меньше зависит от тока нагрузки/ чем при выпрямлении и сглаживании широтно-модулированного напряжения.