стабилизированный преобразователь напряжения

Формула изобретения

Стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий включенные между входными и выходными зажимами, соединенные последовательно регулируемый инвертор, выпрямитель и LC-фильтр, причем управляющие входы регулируемого инвертора подключены к выходам широтно-импульсного модулятора, первый вход которого связан с источником опорного напряжения и второй - со средней точкой RC-цепи, подключенной параллельно дросселю LC-фильтра так, что ее конденсаторный вывод объединен с выходным зажимом, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены резистор и конденсатор, последний из которых включен последовательно с резистором RC-цепи, а резистор - параллельно ее конденсатору.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Известен стабилизированный преобразователь напряжения [Высокочастотные транзисторные преобразователи /Ромаш Э.М. и др. М.: Радио и связь, 1988, с. 148, рис. 5.14], содержащий транзисторный инвертор с трансформаторным выходом, последовательно соединенный с выпрямителем и индуктивно-емкостным сглаживающим фильтром, причем к выходным выводам преобразователя подключен контур отрицательной обратной связи (ООС), имеющий компаратор и RC-цепь, формирующую пилообразное напряжение. Получаемый от компаратора сигнал обеспечивает импульсное регулируемое управление транзисторным ключом инвертора и, в конечном итоге, - стабилизацию выходного напряжения преобразователя. Недостаток устройства - низкое быстродействие при резких изменениях входного напряжения, определяемое длительностью переходного процесса установления выходного напряжения, - обусловлено инерционностью сглаживающего LC-фильтра и действием контура ООС.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является стабилизированный преобразователь напряжения [А. с. 1815761 СССР, Н 02 М 3/335, заявл. 14.01.91, опубл. 15.05.93, Бюл. 18], выбранный в качестве прототипа. Это устройство содержит регулируемый инвертор с трансформаторным выходом, соединенный последовательно с выпрямителем и LC-фильтром и подключенным к выходным зажимам вместе с измерительным мостом, к диагонали которого подключены два входа широтно-импульсного модулятора (ШИМ), входящего в контур ООС, а его выходы связаны с управляющими входами регулируемого инвертора, причем параллельно дросселю LC-фильтра включена RC-цепь, средняя точка которой соединена с первым входом ШИМ. Это устройство обладает высоким быстродействием при резких изменениях входного напряжения, выделяемых на дросселе и подаваемых на входы контура ООС через RC-цепь вместе с выходным напряжением преобразователя.

Недостаток устройства-прототипа - низкая стабильность выходного напряжения по току нагрузки - обусловлен тем, что вместо выходного напряжения в преобразователе стабилизируется поступающее на второй вход ШИМ суммарное напряжение, состоящее из выходного напряжения и напряжения на сопротивлении провода обмотки дросселя LC-фильтра, определяемого током нагрузки и выделяемого на конденсаторе RC-цепи.

Цель изобретения - повышение стабильности выходного напряжения стабилизированного преобразователя по току нагрузки.

Указанная цель обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее включенные между входными и выходными зажимами и соединенные последовательно регулируемый инвертор, выпрямитель и LC-фильтр, причем управляющие входы регулируемого инвертора подключены к выходам широтно-импульсного модулятора, первый вход которого связан с источником опорного напряжения и второй - со средней точкой RC-цепи, подключенной параллельно дросселю LC-фильтра так, что ее конденсаторный вывод объединен с выходным зажимом, предлагается дополнительно ввести резистор и конденсатор, последний из которых включен последовательно с резистором RC-цепи, а резистор - параллельно ее конденсатору.

Указанная совокупность существенных признаков, введенные резистор и конденсатор, а также их подключение, - является новой и в полном объеме неиспользовавшейся, что позволяет считать предлагаемое устройство соответствующим критерию охраноспособности "мировая новизна".

Кроме того, совокупность указанных признаков позволяет получить новый результат, заключающийся в повышении стабильности выходного напряжения преобразователя по току нагрузки, т.к. падение напряжения на сопротивлении провода обмотки дросселя LC-фильтра, определяемое током нагрузки, выделяется на вновь введенном конденсаторе и не подается на вход ШИМ (контура ООС), что позволяет считать данный преобразователь соответствующим критерию охраноспособности - "изобретательский уровень".

На чертеже приводится принципиальная схема стабилизированного преобразователя напряжения, где приняты следующие обозначения: регулируемый инвертор 1, выпрямитель 2, LC-фильтр 3, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 4, источник опорного напряжения 5, RC-цепь с резистором 6 и конденсатором 7, дополнительно введенные конденсатор 8 и резистор 9.

Стабилизированный преобразователь напряжения содержит включенные между входными и выходными зажимами и соединенные последовательно регулируемый инвертор 1, выпрямитель 2 и LC-фильтр 3, причем управляющие входы регулируемого инвертора 1 подключены к выходам широтно-импульсного модулятора 4, первый вход которого связан с источником опорного напряжения 5 и второй - со средней точкой RC-цепи, состоящей из резистора 6 и конденсатора 7 и подключенной параллельно дросселю LC-фильтра 3 так, что ее конденсаторный вывод объединен с выходным зажимом, при этом в устройство дополнительно введены конденсатор 8 и резистор 9, причем конденсатор 8 включен последовательно с резистором 6 RC-цепи, а резистор 9 - параллельно ее конденсатору 7. Регулируемый инвертор 1 выполнен по однотактной схеме на транзисторном ключе, но может быть собран по одно- или двухтактной схемам с трансформаторным выходом. Выпрямитель 2 содержит обратный диод, а может быть исполнен как по одно- так и по двухполупериодной диодным схемам. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 4 включает в себя тактовый генератор, операционный усилитель или компаратор с двумя входами, т.е. входами ШИМ 4, и устройство коммутации (его выход - это выходы ШИМ 4), связанное с управляющими переходами транзисторных ключей регулируемого инвертора 1.

Работа преобразователя происходит следующим образом. Частота преобразования устройства определяется тактовым генератором, входящим в ШИМ 4. В регулируемом инверторе 1 осуществляется преобразование постоянного входного (питающего) напряжения, подаваемого на входные зажимы, в переменное напряжение прямоугольной формы, поступающее после выпрямителя 2 в виде однополярных прямоугольных импульсов на сглаживающий LC-фильтр 3, с которого на нагрузку, подключенную к выходным зажимам, подается постоянное выходное напряжение. Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет регулирования длительности открытого (насыщенного) состояния транзисторного ключа с помощью ШИМ 4, причем при увеличении входного напряжения или уменьшении тока нагрузки ШИМ 4 осуществляет сокращение интервала открытого состояния ключа (увеличение интервала его закрытого состояния при неизменном периоде коммутации), что исключает возрастание выходного напряжения преобразователя, которое поддерживается на уровне, определяемом источником опорного напряжения 5.

В статическом режиме работы переменное напряжение на дросселе LC-фильтра 3 имеет прямоугольную форму с равными вольт-секундными площадями положительной и отрицательной полуволн. При открытом транзисторном ключе инвертора 1 напряжение на дросселе равно разности входного и выходного напряжений и имеет такую же полярность как у выходного напряжения. При этом на конденсаторе 7 RC-цепи, которая является при указанном включении интегрирующей цепью, напряжение нарастает по линейному закону и, добавляясь к выходному напряжению, подается на второй вход ШИМ 4. Как только суммарное напряжение на втором входе достигает уровня опорного напряжения на первом входе, ШИМ 4 закрывает транзисторный ключ инвертора 1. Сразу полярность напряжения на дросселе LC-фильтра 3 изменяется на противоположную, открывая диод выпрямителя 3, и уровень этого напряжения становится равным выходному напряжению. Конденсатор 7 начинает разряжаться, а напряжение на нем спадает по линейному закону до момента очередного включения транзисторного ключа инвертора 1. Таким образом, на средней точке RC-цепи формируется переменное напряжение треугольной формы, которое суммируется с постоянным выходным напряжением преобразователя.

В динамическом режиме при резком увеличении (уменьшении) входного напряжения, амплитуда напряжения на дросселе LC-фильтра 3 также возрастает (уменьшается), когда открыт транзисторный ключ регулируемого инвертора 1, а напряжение на конденсаторе 7 будет нарастать по линейному закону, но с большей (меньшей) скоростью. По этой причине напряжение на втором входе ШИМ 4 достигнет уровня опорного напряжения за меньшее (большее) время, т.е. интервал насыщенного состояния транзисторного ключа сократится (возрастет) и длительность импульса на входе LC-фильтра 3 уменьшится (увеличится) таким образом, что выходное напряжения преобразователя останется без изменения. Весь этот процесс завершится практически в пределах одного периода и быстродействие предлагаемого преобразователя останется таким же высоким, как у прототипа.

При протекании постоянного тока нагрузки имеет место падение напряжения на сопротивлении обмотки дросселя LC-фильтра 3, которое при условии отсутствия конденсатора 8 является причиной появления постоянного смещающего напряжения на конденсаторе 7 RC-цепи. При этом на второй вход ШИМ 4 подается суммарное напряжение, имеющее среднее значение, равное сумме постоянного выходного напряжения и смещающего постоянного напряжения с конденсатора 7, т. е. с обмотки дросселя, и переменную составляющую в виде треугольного напряжения, полученную после интегрирования переменного напряжения на дросселе LC-фильтра 3. За счет ШИМ 4 (контура ООС) стабилизируется сумма указанных двух постоянных напряжений. При изменении тока нагрузки пропорционально меняются постоянное напряжение на обмотке дросселя, на конденсаторе 7 и, как следствие, - на выходе преобразователя, а суммарное напряжение на втором входе ШИМ 4 остается неизменным. Таким образом, появляется нестабильность выходного напряжения по току нагрузки. Для устранения указанной нестабильности необходимо исключить постоянное напряжение на конденсаторе 7, поступающее с обмотки дросселя, что достигается за счет введения конденсатора 8 и резистора 9. Конденсатор 8 пропускает переменный ток RC-цепи и в то же время заряжается через резисторы 6 и 9 от источника постоянного напряжения - обмотки дросселя. В результате постоянная и переменная составляющие напряжения, снимаемые с дросселя, разделяются: переменная выделяется на конденсаторе 7, а постоянная - на конденсаторе 8. Это исключает влияние изменений тока нагрузки, определяющего падение напряжения на сопротивлении провода обмотки дросселя, на стабилизируемое выходное напряжение, которое подается на второй вход ШИМ 4 (канала ООС) только с переменной составляющей с конденсатора 7, но без постоянной составляющей, выделенной на конденсаторе 8.

Таким образом, как следует из описания, в предлагаемом стабилизированном преобразователе напряжения обеспечено повышение стабильности выходного напряжения по току нагрузки с сохранением высокого быстродействия при резком изменении входного напряжения, что достигнуто за счет дополнительного ведения конденсатора и резистора и при этом через последовательно соединенные резисторы введенный конденсатор заряжается постоянным напряжением, которое определяется протекающим через дроссель постоянным током нагрузки и исключается из контура ООС. В то же время на конденсаторе RC-цепи выделяется треугольное напряжение, определяемое переменной составляющей напряжения на дросселе и подаваемой вместе с выходным напряжением преобразователя на вход ШИМ (контура ООС). Среднее значение напряжения на втором входе ШИМ, равное выходному напряжению, стабилизируется с помощью контура ООС. Следовательно, указанное разделение постоянной и переменной (преобразованной в треугольное переменное напряжение) составляющих напряжения между двумя конденсаторами исключило первую из контура ООС и явилось причиной повышения стабильности выходного напряжения преобразователя по току нагрузки.