способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения, выполненного в виде последовательно соединенных инвертора с силовым трансформатором в его выходной цепи, выпрямителя и фильтра, по которому измеряют выходное напряжение, сравнивают его с нижним и верхним заданными уровнями, формируют запускающий сигнал, когда выходное напряжение достигает нижний заданный уровень и запирающий сигнал, когда выходное напряжение достигает верхний заданный уровень, отличающийся тем, что формирование напряжения на выходе инвертора осуществляют в резонансном контуре за счет переключения транзисторов инвертора по заданному алгоритму, обеспечиваемому минимально-возможными симметричными циклами импульсов, формируемыми на выходе задающего генератора и запускающими транзисторы инвертора, при этом возбуждение задающего генератора производят по команде запускающего сигнала с задержкой, в течение которой запускающий сигнал должен быть непрерывным, а срыв формирования импульсов на выходе задающего генератора осуществляют по команде запирающего сигнала в момент окончания текучего цикла импульсов на выходе задающего генератора.

2. Устройство для стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения, выполненное в виде последовательно соединенных инвертора с силовым трансформатором в его выходной цепи, выпрямителя и фильтра, содержащее усилитель мощности, соединенный выходами с входами управления инвертора, задающий генератор и схему сравнения, соединенную входом с выходом фильтра, отличающееся тем, что введены блок запуска и тактовый генератор, инвертор выполнен по схеме с резонансным контуром, а выходы задающего генератора соединены с входами управления усилителя мощности, вход управления задающего генератора соединен с выходом блока запуска, соединенного входом управления с выходом схемы сравнения, входы синхронизации задающего генератора и блока запуска соединены с выходами тактового генератора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, к преобразовательной технике, в частности к преобразованию постоянного напряжения одного уровня в стабилизированное постоянное напряжение другого уровня с применением резонансного (квазирезонансного) инвертора, и может быть использовано для построения источников вторичного электропитания.

Известен частотный способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения (Ф.И. Александров, А.Р. Сиваков. Импульсные преобразователи и стабилизаторы. Л. Энергия, 1970, с. 21 23). Способ заключается в том, что производят измерение выходного напряжения, сравнивают его с опорным напряжением, формируют сигнал ошибки, изменяют частоту задающего генератора в функции напряжения сигнала ошибки так, чтобы величина выходного напряжения поддерживалась постоянной.

Недостатком частотного способа является высокая динамическая нестабильность выходного напряжения в режиме импульсной нагрузки из-за плохих динамических свойств сглаживающего фильтра LC-типа, наличие дросселя в котором обязательно.

Существенное уменьшение динамической нестабильности достигается при использовании двухпозиционного способа стабилизации выходного напряжения, так как разработанные на его основе преобразователи не содержат в составе выходного фильтра сглаживающий дроссель.

Наиболее близким к заявляемому является способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения (Ф.И. Александров, А.Р. Сиваков. "Импульсные преобразователи и стабилизаторы" Л. Энергия, 1970, с. 16). Способ по прототипу включает измерение выходного напряжения и сравнение его с двумя заданными значениями, формирование запирающего и запускающего сигналов, управление задающим генератором, возбуждение и срыв колебаний в силовом контуре преобразователя.

Недостатком прототипа является низкая стабильность выходного напряжения, а также недостаточный уровень надежности из-за низкой помехоустойчивости.

Известно устройство для стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя ( авт. св. СССР N 614504, кл. H 02 M 3/335, опублик. 1978, бюл. N 25). Устройство содержит усилитель мощности с силовым трансформатором, выпрямитель, фильтр, подсоединенный к нагрузке и двухпозиционному электронному реле (схеме сравнения).

Недостатком известного устройства является низкая стабильность и надежность при изменении тока нагрузки в широком диапазоне.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения (авт.св. СССР N 928330, кл. H 02 M 3/335, опублик. 1982, бюл. N 18), выполненного в виде последовательно соединенных инвертора с силовым трансформатором в его выходной цепи, выпрямителя и фильтра, содержащее усилитель мощности, соединенный выходами с входами управления инвертора, задающий генератор и схему сравнения, соединенную входом с выходом фильтра.

Однако это устройство также обладает низкой стабильностью выходного напряжения и недостаточным уровнем надежности из-за низкой помехоустойчивости устройства, поскольку длительность импульсов на входах управления инвертора определяется текущими (мгновенными) значениями сигнала на выходе схемы сравнения.

При создании изобретения решалась задача обеспечения высокостабильным питанием импульсно-периодических электрофизических устройств с широким динамическим диапазоном потребляемого тока и работающих в условиях с высоким уровнем радиопомех.

Техническим результатом данного изобретения является повышение стабильности выходного напряжения и надежности за счет повышения помехоусточивости.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения, выполненного в виде последовательно соединенных инвертора с силовым трансформатором в его выходной цепи, выпрямителя и фильтра, по которому измеряют выходное напряжение, сравнивают его с нижним и верхним заданными уровнями, формируют запускающий сигнал, когда выходное напряжение достигает нижний заданный уровень, и запирающий сигнал, когда выходное напряжение достигает верхний заданный уровень, новым является то, что формирование напряжения на выходе инвертора осуществляют в резонансном контуре за счет переключения транзисторов инвертора по заданному алгоритму, обеспечиваемому минимально возможными симметричными циклами импульсов, формируемыми на выходе задающего генератора и запускающими транзисторы инвертора, при этом возбуждение задающего генератора производят по команде запускающего сигнала с задержкой, в течение которой запускающий сигнал должен быть непрерывным, а срыв формирования импульсов на выходе задающего генератора осуществляют по команде запирающего сигнала в момент окончания текущего цикла импульсов на выходе задающего генератора.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для стабилизации выходного напряжения, выполненного в виде последовательно соединенных инвертора с силовым трансформатором в его выходной цепи, выпрямителя и фильтра, содержащим усилитель мощности, соединенный выходами с входами управления инвертора, задающий генератор и схему сравнения, соединенную входом с выходом фильтра, новым является то, что введены блок запуска и тактовый генератор, инвертор выполнен по схеме с резонансным контуром, а выходы задающего генератора соединены с входами управления усилителя мощности, вход управления задающего генератора соединен с выходом блока запуска, соединенного входом управления с выходом схемы сравнения, входы синхронизации задающего генератора и блока запуска соединены с выходами тактового генератора.

Введение задержки на возбуждение колебаний по команде запускающего сигнала и синхронизация срыва колебаний по команде запирающего сигнала с моментом окончания автономного цикла позволяют увеличить стабильность выходного напряжения и повысить надежность за счет улучшения помехоустойчивости наиболее слабого звена, которым является управление задающим генератором. Момент срыва колебаний в инверторе определяется не мгновенным значением запирающего сигнала, а временем окончания автономного цикла задающего генератора, когда ток в транзисторах равен или близок к нулю, и не происходит нарушения заданного алгоритма управления транзисторами. Инициирование работы задающего генератора производится запускающими сигналами, длительность которых превышает заданную, что уменьшает вероятность запуска задающего генератора короткоимпульсными сигналами помех.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие заявляемый способ стабилизации.

Устройство для стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения содержит усилитель 1 мощности (УМ), входы управления которого подключены к выводам задающего генератора 2 (ЗГ), высокочастотный выпрямитель 3, емкостной фильтр 4, подключенный к нагрузке 5, схему сравнения 6 (СС) и блок запуска 7 (БЗ). Устройство также содержит резонансный инвертор 8 с силовым трансформатором 9 и тактовый генератор 10 (ТГ), причем выходы управления инвертора 8 подключены к выходам УМ, силовой вход инвертора подсоединен к источнику первичного питания 11, выход инвертора через трансформатор 9 соединен с высокочастотным выпрямителем 3, а выходы ТГ 10 подключены к вторым входам ЗГ 2 и БЗ 7. Первый вход задающего генератора соединен с выходом блока запуска 7, первый вход которого идет на выход схемы сравнения 6. Кроме того, устройство содержит делитель выходного напряжения 12 (ДВН), нижнее плечо которого подключено к первому входу СС 6, и источник эталонного напряжения 13 (ИЭН), подключенный к второму входу СС 6. Делитель 12 и источник 13 вместе с элементами 2, 6, 7, 10 объединены в блок 14 управления (БУ). Элементы 1, 3, 4, 8, 9 входят в состав резонансного преобразователя 15.

На фиг. 2 приведены диаграммы: I напряжения на выходе СС 6; II - напряжения на выходе БЗ 7; III интервалов генерации ЗГ 2; IV тока в силовом контуре инвертора 8, и использованы следующие обозначения: 16 ложные запускающий и запирающий сигналы, вызванные помехами; 17 запирающий сигнал; 18 запускающий сигнал; T_з интервал задержки; T_ц интервал автономного цикла генерации ЗГ; t_н момент равенства выходного напряжения и заданного нижнего уровня; t_в момент равенства выходного напряжения и заданного верхнего уровня.

Способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения осуществляют следующим образом.

Производят измерение выходного напряжения, сравнивают его с заданными верхним и нижним значениями, формируют запускающий сигнал 18, когда выходное напряжение достигает нижний заданный уровень, и запирающий сигнал 17, когда оно достигает верхний заданный уровень (фиг. 2, диагр. I). Управление задающим генератором осуществляют запирающим и запускающим сигналами. Если на входе задающего генератора присутствует запускающий сигнал, то под воздействием импульсов на его выходах в инверторе возбуждаются колебания. В результате емкость фильтра 4 заряжается и выходное напряжение плавно возрастает. Если на входе задающего генератора имеется запирающий сигнал, то выходная емкость фильтра 4 отключается от первичного источника 11 и выходное напряжение плавно уменьшается. Заданные верхний и нижний уровни определяют диапазон изменения выходного напряжения. Для возбуждения колебаний в резонансном преобразователе (инверторе) необходимо соблюдать заданный алгоритм управления транзисторами (фиг. 2, диагр. IV). Этот алгоритм обеспечивается автономным циклом T_ц работы задающего генератора и является минимальным из возможных симметричных циклов. Срыв колебаний в резонансном преобразователе производят по команде запирающего сигнала 17 синхронно с окончанием текущего автономного цикла (фиг. 2, диагр. III, IV). Возбуждение колебаний производят по команде запускающего сигнала 18 с задержкой T_з, в течение которой запускающий сигнал должен быть непрерывным.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Подключают первый источник питания 11 к нагрузке 5 через устройство, состоящее из резонансного преобразователя 15 и блока управления 14. В начальный момент, когда напряжение на нагрузке 5 равно нулю, на выходе схемы сравнения 6 устанавливается запускающий сигнал 18 (фиг. 2, диагр. I), управляющий блоком запуска 7. Если сигнал 18 непрерывен в течение времени T₃ (фиг. 2, диагр. II), то в конце этого интервала блок 7 вырабатывает импульс, возбуждающий ЗГ 2. Производится генерация первых четырех импульсов и в момент окончания последнего, в конце интервала T_ц (фиг. 2, диагр. III), в зависимости от уровня управляющего сигнала на входе блока 7 происходит либо запуск очередного четырехтактового цикла, либо прекращение генерации. Поскольку в начальный момент напряжение на нагрузке 5 ниже заданного верхнего значения, на выходе СС 6 постоянно присутствует запускающий сигнал, под действием которого блок 7 непрерывно перезапускает четырехтактовые циклы генерации ЗГ 2. Тактовый генератор 10 осуществляет синхронизацию вырабатываемых блоком 7 импульсов с моментами окончания автономных циклов. Импульсы ЗГ после их усиления блоком УМ 1 переключают транзисторы инвертора 2 по заданному алгоритму, обеспечивающему в резонансном контуре инвертора 8, включающем первую обмотку трансформатора 9, устойчивые колебания с квазисинусоидальной формой тока (фиг. 2, диагр. IV). Трансформатор осуществляет гальваническую развязку нагрузки 5 от источника 11 и обеспечивает заданную величину переменного напряжения на входе высокочастотного выпрямителя 3. Выпрямленные импульсы заряжают выходную емкость фильтра 4, напряжение на которой плавно нарастает. Это напряжение поступает на нагрузку 5 и блок ДВН 12, где его линейно преобразуют для сравнения в блоке 6 с эталонным напряжением U_э, вырабатываемым ИЭН 13. В момент t_в (фиг. 2, диагр. I) равенства сравниваемого напряжения с эталонным U_э напряжение на выходе блока 6 переключают в нижнее состояние, вырабатывая запирающий сигнал. Последний поступает на вход блока БЗ 7 и блокирует выработку перезапускающего импульса в момент окончания текущего четырехтактового цикла генерации 2 (фиг. 2, диагр. III). В результате срываются колебания в инверторе 8 и нагрузка отключается от первичного источника 11. Напряжение на нагрузке при включенном инверторе 8 поддерживается за счет энергии, накопленной в выходной емкости фильтра 4. С течением времени это напряжение уменьшается, соответственно вызывая уменьшение своего линейного аналога на входе схемы сравнения 6, имеющей заданный гистерезис U_г Поэтому напряжение на нагрузке продолжает снижаться до тех пор, пока сравниваемое напряжение не достигнет уровня U_э-U_г В этот момент t_н (фиг. 2, диагр. II) на выходе блока 6 вырабатывается запускающий сигнал, под действием которого блок 7 с задержкой T_з формирует импульсы, обеспечивающие генерацию ЗГ 2. В силовом контуре инвертора 8 возбуждаются колебания и напряжение на нагрузке начинает возрастать до верхнего заданного значения. Далее последовательность операций в процессе стабилизации выходного напряжения повторяется аналогично описанной выше, удерживая выходное напряжение в заданных пределах. Учитывая, что величина гистерезиса U_г много меньше эталонного напряжения U_з, можно считать, что выходное напряжение поддерживается практически постоянным.

Следует отметить, что изменение входного напряжения и(или) тока нагрузки в процессе стабилизации приводит только к изменению скорости нарастания и спада выходного напряжения, а предел его колебаний остается прежним.

Предложенный способ и устройство были использованы при создании ряда макетов стабилизированных источников питания импульсных газоразрядных устройств мощностью 20-300 Вт. Питание преобразователей производилось от сети переменного тока напряжением 220 В через сетевой выпрямитель с бестрансформаторным входом. Резонансные преобразователи были выполнены на биполярных транзисторах КТ862, КТ847, в состав высокочастотных выпрямителей с емкостными фильтрами входили диоды К226, К213 и конденсаторы типа К50-27, К50-29. Частота преобразования электроэнергии составляла от 30 до 40 кГц. В блоке управления в качестве схемы сравнения использовался таймер М1006ВИ1. Задающий генератор и блок запуска были выполнены на интегральных микросхемах типа 561ИР9, 561ТВ1 соответственно. Усилители мощности двухтактные, а тактовый генератор построен по известной схеме на трех логических элементах микросхемы 561ЛА7.

Таким образом, данное изобретение позволяет снизить уровень нестабильности выходного напряжения до 1,5% в условиях мощных радиопомех. Надежность обеспечивается малой энергией, рассеиваемой при переключении транзисторов, строгим исполнением алгоритма переключения транзисторов и симметричностью нагрузки на сердечник выходного трансформатора.