Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: преобразование постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. Сущность изобретения: преобразователь содержит силовой многообмоточный дроссель 1, образующий с конденсатором 2 колебательный контур и включенный последовательно с силовым транзистором 4. Силовой многообмоточный дроссель 1 снабжен вторичными обмотками, соединенными с выпрямителями 7 и емкостными фильтрами 8. Обмотка 1.4 положительной обратной связи соединена через узел ограничения тока с базой силового транзистора 4. Уровень ограничения тока задается трансформатором 3 тока, первичная обмотка 3.1 которого включена в силовую цепь, а вторичная 3.2 подсоединена к управляющему входу узла ограничения тока. Выключение тока в каждом такте осуществляется узлом 10 выключения, связанным входом с узлом 9 сравнения, а выходом с вторым управляющим входом узла ограничения тока. Запуск преобразователя при его включении обеспечивает R C-цепочка 22, подсоединенная к входным выводам преобразователя и к третьему входу узла ограничения тока. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2016482
Класс(ы) патента: H02M3/335
Номер заявки: 4856705/07
Дата подачи заявки: 01.08.1990
Дата публикации: 15.07.1994
Заявитель(и): Акционерное общество открытого типа "Уралчерметавтоматика"
Автор(ы): Мельников О.Н.
Патентообладатель(и): Акционерное общество открытого типа "Уралчерметавтоматика"
Описание изобретения: Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования малой мощности (единицы - доли Ватт) в источниках вторичного питания.
Одной из основных характеристик для микромощных преобразователей является простое исполнение и связанные с ним надежность и удешевление. Другой важный параметр, особенно при батарейном питании, КПД: увеличение КПД увеличивает срок службы одного комплекта батарей, что немаловажно, например, для переносных приборов в экспедиционных условиях.
Известен преобразователь постоянного напряжения с колебательным контуром в цепи нагрузки, содержащий многообмоточный дроссель, выходные обмотки которого слабо связаны с его первичной обмоткой, и обмотку положительной обратной связи, тесно связанную с этой же обмоткой [1]. Пуск этого преобразователя осуществляется по цепи запуска. Амплитуда базового тока при пуске ограничивается цепью, среднее значение тока в импульсе - ограничителем тока, а длительность импульса управления - узлом выключения по длительности. В связи с тем, что ток возбуждения транзисторного ключа формируется в функции только входного напряжения, КПД этого преобразователя на средних и малых нагрузках существенно снижается. Кроме того, шунтирующие цепи ограничителя тока приводят к ускоренному разряду его конденсатора между импульсами включения транзисторного ключа, что создает ненужное упреждение на включение и приводит к появлению коммутационных потерь при замыкании ключа. Недостатком преобразователя является сложность схемы - в его цепях управления семь транзисторов, не считая компаратора.
Наиболее близким к предлагаемому преобразователю по технической сущности и достигаемому результату является однотактный преобразователь постоянного напряжения. Этот преобразователь содержит силовой транзистор, база-эмиттерный переход которого зашунтирован резистором, а коллектор-эмиттерный переход - обратным диодом, многообмоточный дроссель, первичная обмотка которого с шунтирующим ее конденсатором образует колебательный контур, подключенный одним выводом к шине питания, обмотку обратной связи, включенную между выходом управляемого узла ограничения тока и базой силового транзистора, трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между коллектором этого транзистора и свободным выводом колебательного контура, а вторичная соединена с общей шиной и связана с первым входом узла ограничения тока и вторым входом узла выключения, управляемого с выхода узла сравнения по одному из выходных напряжений преобразователя. Второй вход узла ограничения тока соединен с выходом пускового узла, включенного между шиной питания и общей шиной [2].
Узел ограничения тока в известном преобразователе состоит из коммутирующего транзистора, включенного по схеме с общей базой, эмиттер которого является первым входом узла (подключен к промежуточному отводу вторичной обмотки трансформатора тока), и последовательной RC-цепочки, включенной между выходом узла (со стороны резистора) и общей шиной, средняя точка которой соединена с вторым входом узла (вход запуска). Кроме того, схема содержит один диод в цепи коллектора транзистора узла, второй вывод которого соединен с выходом узла, и второй диод, шунтирующий его база-эмиттерный переход.
Узел выключения содержит комплементарные транзисторы (триггер), конденсаторы, шунтирующие их база-эмиттерные переходы, резистивный делитель и последовательную RC-цепочку, свободный вывод которой соединен с первым входом, подключенным к узлу сравнения. С выходом (входом) узла соединен один из силовых выводов триггера, при этом другой вывод соединен с общей шиной.
Этот преобразователь существенно проще аналога и обладает более высоким КПД. Однако его особенности, связанные с управлением выключением по току и необходимые для обеспечения надежности и уменьшения потерь при реализации в сетевых бестрансформаторных преобразователях, в маломощном исполнении на низкое входное напряжение неоправданно усложняют схему, не приводя к выигрышу в КПД, поскольку на низких входных напряжениях весомыми, определяющими КПД, становятся другие составляющие потерь, а именно потери в открытом ключе и потери на возбуждение.
Цель изобретения состоит в упрощении и повышении КПД при малой мощности нагрузки и низком входном напряжении.
Для достижения цели в однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, подключенный эмиттером к первому входному выводу преобразователя, причем между базой и эмиттером силового транзистора включен первый резистор, а между его коллектором и эмиттером - обратно включенный первый диод, пусковой узел, включенный между первым и вторым входными выводами преобразователя, узел ограничения тока, в который входит коммутирующий транзистор, эмиттером соединенный с первым входом узла, а коллектором - с выходом узла и через последовательную RC-цепочку с первым входным выводом преобразователя, причем средняя точка последовательной RC-цепочки соединена с вторым входом узла, узел выключения, в который входит вспомогательный транзистор, база которого через второй резистор соединена с первым входом узла, третий и четвертый резисторы, первый конденсатор и второй диод, подключенный первым выводом к первому входу узла, силовой многообмоточный дроссель с первичной обмоткой, шунтированной вторым конденсатором и подключенной первым выводом к второму входному выводу преобразователя, с обмоткой обратной связи, включенной между выходом узла ограничения тока и базой силового транзистора, и с вторичными обмотками, каждая из которых через выпрямитель и емкостный фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, к одним из которых подключен узел сравнения, соединенный выходом с первым входом узла выключения, и трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между вторым выводом первичной обмотки силового многообмоточного дросселя и коллектором силового транзистора, а вторичная обмотка первым выводом соединена с первым входным выводом преобразователя и вторым выводом - с вторым входом узла выключения и первым входом узла ограничения тока, второй вход которого соединен с выходом пускового узла, в узел выключения введены двусторонний ограничитель напряжения, включенный между эмиттером вспомогательного транзистора и вторым входом узла, и третий диод, образующий в соединении с вторым диодом согласно-последовательную диодную цепочку, свободный вывод которой непосредственно, а средняя точка через третий резистор соединены с первым входным выводом преобразователя, при этом первый конденсатор включен между средней точкой диодной цепочки и третьим входом узла выключения, соединенным с базой силового транзистора, эмиттер вспомогательного транзистора через цепь четвертого резистора связан с первым входным выводом преобразователя, а его коллектор образует выход узла выключения, который соединен с третьим входом узла ограничения тока, к которому подключена база коммутирующего транзистора.
Силовой дроссель снабжен дополнительной обмоткой, включенной последовательно в цепь четвертого резистора, а эмиттер вспомогательного транзистора соединен с первым входным выводом через введенный третий конденсатор.
Для повышения надежности пуска преобразователя между одними из выходных выводов включен стабилитрон.
На фиг.1 приведена схема преобразователя; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу преобразователя.
Однотактный преобразователь содержит силовой многообмоточный дроссель 1, первичная обмотка 1.1 которого с конденсатором 2 образует колебательный контур, подключенный одним выводом к шине питания, а другим через первичную обмотку 3.1 трансформатора 3 тока к коллектору силового транзистора (ключ) 4. Коллектор-эмиттерный переход транзистора 4 зашунтирован обратно включенным диодом 5, а база-эмиттерный - резистором 6. Вторичные обмотки 1.2-1.3 дросселя (их может быть и больше) соединены каждая через выпрямитель 7 с емкостным фильтром 8. С одной из связанных с общей шиной выходных обмоток (на фиг.1 это обмотка 1.n) соединен вход узла 9 сравнения. Выход узла 9 соединен с первым входом узла 10 выключения. Узел 10 содержит выключающий вспомогательный транзистор 11, двусторонний ограничитель 12 напряжения (например, двуханодный стабилитрон или два встречно соединенных стабилитрона), соединенный с эмиттером транзистора 11, который через резистор 13 связан с общей шиной, второй резистор 14, соединенный с базой транзистора 11 и первым крайним выводом согласно-последовательной диодной цепочки 15-16, со средней точкой которой соединены конденсатор 17 и третий резистор 18. Второй вывод цепочки 15-16 и свободный вывод резистора 18 соединены с общей шиной (первый входной вывод преобразователя). Первый вывод диодной цепочки служит первым входом узла, а свободный вывод двустороннего ограничителя 12 напряжения - вторым входом узла. Третьим входом является свободный вывод конденсатора 17. Выходом узла выключения служит коллектор транзистора 11. Второй вход узла 10 соединен с первым выводом вторичной обмотки 3.2 трансформатора 3 тока, второй вывод которой подключен к общей шине. Третий вход узла 10 соединен с обмоткой 1.4 обратной связи в точке ее соединения с базой силового транзистора 4. Связь с общей шиной этой обмотки осуществляется через узел ограничения тока. В общем случае третий вход узла 10 может быть соединен с выводом отдельной обмотки силового дросселя 1, другим выводом подключенной непосредственно к общей шине.
Узел ограничения тока состоит из коммутирующего транзистора 19 и последовательной RC-цепочки 20-21, свободный вывод конденсатора 21 которой соединен с общей шиной. Первым входом узла является эмиттер транзистора 19, которым узел подсоединен к первому выводу обмотки 3.2 трансформатора 3 тока. Вторым входом узла ограничения тока служит отвод от средней точки RC-цепочки 20-21, которым он подсоединен к выходу узла 22 пуска. Третьим входом узла ограничения тока является база транзистора 19, соединенная с выходом узла 10 выключения. С выходом узла соединены коллектор его транзистора 19 и свободный вывод резистора 20.
В варианте выполнения преобразователя силовой дроссель 1 имеет дополнительную обмотку (показана пунктиром), включенную в цепь резистора 13, и введена дополнительная связь эмиттера вспомогательного транзистора 11 с общей шиной через дополнительный конденсатор (показан пунктиром). Дополнительные признаки дают усиление достигаемого в основной схеме эффекта по КПД.
Вариант с шунтированием выходов стабилитроном показан пунктиром в выходной цепи обмотки 1.2.
Узел 22 пуска может быть реализован в виде последовательной цепочки из конденсатора и резистора, включенной между входом и выходом узла с подсоединением их общей точки через диод к общей шине. Узел 9 сравнения может быть выполнен как и в прототипе по мостовой схеме, одна ветвь которой состоит из резистора и стабилитрона, а одно плечо второй ветви представлено база-эмиттерным переходом транзистора.
Устройство работает следующим образом.
При подаче напряжения на вход импульсом тока через конденсатор и резистор узла 22, резистор 20 узла ограничения тока и обмотку 1.4 приоткрывается силовой транзистор 4. Благодаря наличию положительной обратной связи по обмотке 1.4 возникает генерация и начинают заряжаться конденсаторы 8 фильтров выпрямителей.
При каждом включении ключа (интервал t0-t3, t0'-t3') на конденсаторе 17 (эпюра в) появляется положительное напряжение, открывающее через резистор 14 транзистор 11 узла 10 выключения и замыкающее тем самым цепь базы транзистора 19 узла ограничения тока. В момент t1 при смене знака тока в первичной обмотке 1.1 дросселя 1 появляется ток ключа, и ток вторичной обмотки 3.2 трансформатора 3 тока начинает через узел ограничения тока поступать в базу ключа 4, поддерживая его открытое состояние (эпюра б). С момента t0 начинается разряд конденсатора 17 (эпюра в); в режиме пуска по цепи резистор 8, общая шина и через диод 15 и резистор 14 в базу транзистора 11, а в установившемся режиме (при работе узла 9 сравнения) еще и через транзистор узла сравнения. При снижении этого напряжения до порога открывания транзистора 11 (момент t2) последний начинает закрываться, запирая транзистор 19. Напряжение на эмиттере транзистора 19, т.е. на обмотке 3.2, возрастает (эпюра г), "пробивается" стабилитрон 12 и поднимается напряжение на эмиттере транзистора 11, дополнительно запирая его. Возникает триггерный режим, эффективно запирающий узел ограничения тока. Ток базы ключа 4 падает в ноль (эпюра б), в ключе начинается рассасывание неосновных носителей в базе (интервал t2-t3). В момент t3 начинается рост напряжения на ключе, а напряжением обмотки 1.4 форсированно запирается его база (эпюра б). В момент t4 открываются диоды выпрямителей 7 и до момента t5 идет заряд конденсаторов 8. В момент t5 начинается колебательный процесс в L1.1C2-контуре, в момент t0' напряжение на ключе 4 достигает нуля и процесс повторяется.
В варианте с дополнительной обмоткой дросселя 1, включенной в цепь резистора 13, при включенном ключе 4 к эмиттеру транзистора 11 прикладывается небольшое отрицательное напряжение (0,4-0,7 В), которое снижает входное напряжение узла ограничения тока и напряжение на обмотках трансформатора 3 тока. Уменьшение падения напряжения на трансформаторе тока непосредственно уменьшает потери в силовой цепи, т.е. повышает КПД. Кроме того, это позволяет уменьшить число витков обмоток трансформатора 3 тока, что существенно улучшает его параметры и, в частности, уменьшает "колебательность" обмоток.
Упрощение схемы преобразователя достигнуто за счет замены более сложного узла выключения по току ключа простым узлом выключения по длительности, содержащим всего один транзистор.
По отношению к прототипу в микромощном исполнении предлагаемое решение обеспечивает снижение потерь на управление (за счет уменьшения падения напряжения на узле ограничения тока исключено падение напряжения на диоде и за счет подачи дополнительного напряжения на эмиттер коммутирующего транзистора). Повышение КПД, достигнутое в предлагаемом преобразователе при питании 9 В, составляет 4% (83% против 79% прототипа).
Формула изобретения: 1. ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий силовой транзистор, подключенный эмиттером к первому входному выводу преобразователя, между базой и эмиттером силового транзистора включен первый резистор, а между его коллектором и эмиттером обратно включенный первый диод, пусковой узел, включенный между первым и вторым входными выводами преобразователя, узел ограничения тока, в который входит коммутирующий транзистор, эмиттером соединенный с первым входом узла, а коллектором - с выходом узла и через последовательно RS-цепочку - с первым входным выводом преобразователя, причем средняя точка последовательной RS-цепочки соединена с вторым входом узла, узел выключения, в который входит вспомогательный транзистор, база которого через второй резистор связан с первым входом узла, третий и четвертый резисторы, первый конденсатор и второй диод, подключенный первым выводом к первому входу узла, силовой многообмоточный дроссель с первичной обмоткой, шунтированной вторым конденсатором и подключенной первым выводом к второму входному выводу преобразователя, с обмоткой обратной связи, включенной между выходом узла ограничения тока и базой силового транзистора и с вторичными обмотками, каждая из которых через выпрямитель и емкостный фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, к одним из которых подключен узел сравнения, соединенный выходом с первым входом узла выключения, и трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между вторым выводом первичной обмотки силового многообмоточного дросселя и коллектором силового транзистора, а вторичная обмотка первым выводом соединена с первым входным выводом преобразователя и вторым выводом - с вторым входом узла управления и первым входом узла ограничения тока, второй вход которого соединен с выходом пускового узла, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения КПД при малой мощности нагрузки и низком входном напряжении, в узел выключения введены двусторонний ограничитель напряжения, включенный между эмиттером вспомогательного транзистора и вторым входом узла, и третий диод, образующий в соединении с вторым диодом согласно-последовательную диодную цепочку, свободный вывод которой непосредственно, а средняя точка через третий резистор соединены с первым входным выводом преобразователя, первый конденсатор включен между средней точкой диодной цепочки и третьим входом узла выключения, соединенным с базой силового транзистора, эмиттер вспомогательного транзистора через цепь четвертого резистора связан с первым входным выводом преобразователя, а его коллектор образует выход узла выключения, который соединен с третьим входом узла ограничения тока, к которому подключена база коммутирующего транзистора.
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что силовой дроссель снабжен дополнительной обмоткой, включенной последовательно в цепь четвертого резистора, а эмиттер вспомогательного транзистора соединен с первым входным выводом через введенный третий конденсатор.
3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности пуска, между одним из выходных выводов включен стабилитрон.