ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР
WIDE-RANGE STABILISER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области иловой преобразовательной техники, и может быть использовано во вторичных источниках питания.
Известны стабилизаторы, содержащие входной конденсатор, транзистор, диод, дроссель, датчик тока и схему управления [1].
Недостатком таких стабилизаторов является высокая стоимость и сложность устройства, связывающего выход схемы управления с базой или затвором силового транзистора.
Наиболее близки к предлагаемому устройству стабилизаторы, построенные с использованием специализированных микросхем |2], в которых вышеуказанные недостатки частично устранены.
Прототип имеет следующие недостатки.
1. Низкое значение максимально допустимого входного напряжения (600 вольт) не дает достаточного запаса по напряжению при работе стабилизатора от выпрямленного переменного напряжения 380 вольт, а использование высоковольтных драйверов [3] усложняет схему и увеличивает стоимость.
2. Без существенных доработок стабилизаторы не позволяют получить ШИМ регулирование от нуля до 100%.
3. Относительно высокая стоимость специализированных микросхем и сложность создания дешевых аналогов в интегральном исполнении.
4. Низкая надежность стабилизатора в результате всплесков входного тока при каждом включении стабилизатора в сеть переменного напряжения через термистор и выпрямитель.
5. Неудобство управления стабилизатором, вызванное тем, что все возможные цепи управления гальванически связаны с сетью.
Цель изобретения - расширение диапазона входного напряжения, обеспечение ШИМ регулирования от нуля до 100%, упрощение, уменьшение стоимости, а также повышение надежности и удобства эксплуатации стабилизатора. Указанная цель достигается тем, что в стабилизатор, содержащий входной конденсатор, транзистор, диод, дроссель, датчик тока и выходной конденсатор, параллельно входному конденсатору подключены последовательно соединенные верхний стабилитрон, стабилизатор тока и нижний стабилитрон, связанный с отрицательным полюсом входного конденсатора, параллельно верхнему стабилитрону подключены блокиратор, связанный с верхним компаратором, операционным усилителем и делителем опорного напряжения, генератор пилообразного напряжения, верхний компаратор и операционный усилитель, а параллельно нижнему стабилитрону подключены мостовая схема, включающая в себя транзистор оптотранзистора и три резистора, а также нижний компаратор, входами связанный с диагональными точками мостовой схемы, а выходом с затвором транзистора, у которого исток подключен к отрицательному полюсу входного конденсатора, а сток к дросселю, связанному с отрицательным полюсом выходного конденсатора и нагрузкой, и диоду, связанному с положительным полюсом входного конденсатора, к которому также подключен датчик тока, соединенный с положительным полюсом выходного конденсатора и резистором цепи обратной связи, в которую дополнительно входят последовательно соединенные резистор и конденсатор, включенные между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, кроме того, к выходу операционного усилителя подключен не инвертирующий вход верхнего компаратора, у которого инвертирующий вход связан с генератором пилообразного напряжения, а выход с диодом оптотранзистора.
Параллельно верхнему стабилитрону подключены делитель напряжения, компаратор и генератор прямоугольных импульсов, выход которого через последовательно включенные резистор и конденсатор соединен с первичной обмоткой импульсного трансформа тора и входом фильтра, выход которого через выпрямитель связан с инвертирующим входом компаратора, не инвертирующий вход последнего подключен к делителю напряжения, а выход к блокиратору, при этом параллельно первичной обмотке импульсного трансформатора установлен выключатель.
Параллельно верхнему стабилитрону подключены делитель напряжения, компаратор, триггер, устройство обнуления и генератор прямоугольных импульсов, выход которого через последовательно включенные резистор и конденсатор соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора и входом фильтра, выход последнего через выпрямитель связан с инвертирующим входом компаратора, не инвертирующий вход подключен к делителю напряжения, а выход к счетному входу триггера, у которого выход подключен к блокиратору, а установочный вход к выходу схемы обнуления, связанной с переменным напряжением сети, при этом параллельно первичной обмотке импульсного трансформатора установлены кнопки.
Параллельно верхнему стабилитрону подключены амплитудный детектор, масштабный усилитель и генератор прямоугольных импульсов, выход которого через последовательно включенные резистор и конденсатор соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора и входом фильтра, выход последнего через последовательно соединенные амплитудный детектор и масштабный усилитель подключен к делителю опорного напряжения, при этом параллельно первичной обмотке импульсного трансформатора установлен переменный резистор.
На фиг.1 показана принципиальная схема стабилизатора; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие принцип работы; на фиг.3 - принципиальная схема дополнительного устройства для управления стабилизатором с помощью выключателя; на фиг.4 - принципиальная схема дополнительного устройства для управления стабилизатором с помощью кнопок; на фиг.5 - принципиальная схема дополнительного устройства для управления стабилизатором с помощью переменного резистора.
Стабилизатор (фиг.1) содержит входной конденсатор 1, транзистор 15, диод 16, дроссель 17, датчик тока 18 и выходной конденсатор 19, параллельно входному конденсатору подключены последовательно соединенные верхний стабилитрон 2, стабилизатор тока 3 и нижний стабилитрон 4, связанный с отрицательным полюсом входного конденсатора, параллельно верхнему стабилитрону подключены блокиратор 6, связанный с верхним компаратором 9, операционным усилителем 11 и делителем опорного напряжения 13, генератор пилообразного напряжения 7, верхний компаратор 9 и операционный усилитель 11, а параллельно нижнему стабилитрону подключены мостовая схема 10, включающая в себя транзистор оптотранзистора и три резистора, а также нижний компаратор 14, входами связанный с диагональными точками мостовой схемы, а выходом с затвором транзистора 15, у которого исток подключен к отрицательному полюсу входного конденсатора 1, а сток к дросселю 17, связанному с отрицательным полюсом выходного конденсатора 19 и нагрузкой 20, и диоду 16, связанному с положительным полюсом входного конденсатора, к которому также подключен датчик тока 18, соединенный с положительным полюсом выходного конденсатора и резистором цепи обратной связи 12, в которую дополнительно входят последовательно соединенные резистор и конденсатор, включенные между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 11, кроме того, к выходу операционного усилителя подключен не инвертирующий вход верхнего компаратора 9, у которого инвертирующий вход связан с генератором пилообразного напряжения 7, а выход с диодом оптотранзистора 8.
В дополнительном устройстве для управления стабилизатором с помощью выключателя (фиг.3), параллельно верхнему стабилитрону 2 подключены делитель напряжения 31, компаратор 32 и генератор прямоугольных импульсов 33, выход которого через последовательно включенные резистор 34 и конденсатор 35 соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора 36 и входом фильтра 37, выход которого через выпрямитель 38 связан с инвертирующим входом компаратора 32, не инвертирующий вход последнего подключен к делителю напряжения 31, а выход к блокиратору 6, при этом параллельно первичной обмотке импульсного трансформатора установлен выключатель 39.
В дополнительном устройстве для управления стабилизатором с помощью кнопок (фиг.4), параллельно верхнему стабилитрону 2 подключены делитель напряжения 4.1, компаратор 4.2, триггер 4.3, устройство обнуления 4.5 и генератор прямоугольных импульсов 4.6, выход которого через последовательно включенные резистор 4.7 и конденсатор 4.8 соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора 4.9 и входом фильтра 4.10, выход последнего через выпрямитель 4.11 связан с инвертирующим входом компаратора 4.2, не инвертирующий вход подключен к делителю напряжения 4.1, а выход к счетному входу триггера, у которого выход подключен к блокиратору 6, а установочный вход к выходу схемы обнуления 4.5, связанной с переменным напряжением сети, при этом параллельно первичной обмотке импульсного трансформатора установлены кнопки 4.12.
В дополнительном устройстве для управления стабилизатором с помощью переменного резистора (фиг.5), параллельно верхнему стабилитрону подключены амплитудный детектор 5.1, масштабный усилитель 5.2 и генератор прямоугольных импульсов 5.3, выход которого через последовательно включенные резистор 5.4 и конденсатор 5.5 соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора 5.6 и входом фильтра 5.7, выход последнего через последовательно соединенные амплитудный детектор 5.1 и масштабный усилитель 5.2 подключен к делителю опорного напряжения 13, при этом параллельно первичной обмотке импульсного трансформатора установлен переменный резистор 5.8.
Работает стабилизатор следующим образом.
На фиг.1 показана принципиальная схема стабилизатора, обеспечивающая стабилизацию выходного тока. Для того чтобы перейти в режим стабилизации выходного напряжения, достаточно резистор цепи обратной связи 12 подключить к отрицательному полюсу выходного конденсатора 19 через соответствующий делитель напряжения.
При подаче входного напряжения начинает работать стабилизатор тока 3 и напряжения на верхнем и нижнем стабилитронах начинают увеличиваться. Как только напряжение на верхнем стабилитроне достигает приблизительно 90% своего номинального значения и напряжение на входе блокиратора 6, связанном с делителем напряжения 5, становится ниже напряжения на точке соединения верхнего стабилитрона и источника тока, выходное напряжение блокиратора становится практически равным напряжению на вышеупомянутой точке. В результате этого на не инвертирующий вход операционного усилителя 11 с делителя опорного напряжения 13 подается напряжение смещения и снимается блокировка операционного усилителя и верхнего компаратора, которые начинают работать в обычном режиме.
Напряжение на выходе операционного усилителя с определенной скоростью понижается и по достижении уровня пилообразного напряжения на выходе верхнего компаратора появляются сначала короткие, а затем более широкие импульсы положительной полярности.
При этом необходимо отметить, что, если использовать быстродействующие, но дорогие оптопары, то импульсы положительной полярности на не инвертирующем входе нижнего компаратора с незначительной задержкой повторяют импульсы на выходе верхнего компаратора. Использование дешевых оптотранзисторов, имеющих как большую задержку, так и низкую скорость нарастания выходного тока, особенно при малых значениях входного тока, вносит значительные изменения в процесс передачи ШИМ сигнала, что, однако, практически не влияет на работу стабилизатора в целом.
Диаграммы (Фиг.2), поясняющие работу стабилизатора, приведены именно для этого случая.
Из диаграмм можно видеть, что преобразование ШИМ сигнала с выхода верхнего компаратора в ШИМ сигнал на выходе нижнего компаратора носит нелинейный характер, а крутизна или коэффициент преобразования ШИМ сигнала на линейном участке передаточной характеристики зависит от типа оптотранзистора, амплитуды тока на входе последнего, величины резистора в цепи эмиттера и величины напряжения на нижнем стабилитроне.
Устойчивость системы автоматического регулирования и точность стабилизации выходного тока или напряжения, при использовании конкретных оптотранзистора, дросселя, датчика тока, резисторов моста, диапазона изменения входного напряжения, обеспечиваются выбором величин элементов цепи обратной связи 12.
вх.
вых.
Когда транзистор 15 открыт в течение всего периода (ШИМ сигнал 100%) входное напряжение U почти равно выходному напряжению U, а значение максимальной величины входного напряжения стабилизатора определяется максимально допустимыми значениями напряжений конденсатора 1, транзистора источника тока 3, диода 16 и транзистора 15, которые могут значительно превышать значение максимально допустимого входного напряжения прототипа.
Преимущества предлагаемого стабилизатора по сравнению с прототипом состоят не только в более широком диапазоне изменения входных напряжений и ШИМ регулировании от нуля до 100%, а и в том, что в стабилизаторе используются только простые и дешевые элементы. Это дает реальную возможность разработать и производить узлы стабилизатора в интегральном исполнении, например, для использования в светодиодных лампах и светильниках.
Наиболее дешевым и приемлемым с токи зрения получения высокого КПД является способ заряда входного конденсатора от сети переменного напряжения через термистор и выпрямитель. Недостатком такого способа является то, что при включении амплитуда импульсов зарядного тока многократно превышает величину тока, вытекающего из конденсатора. Более того, в случае, если стабилизатор был выключен на какое-то время, за которое термистор не успел остыть и увеличить свое сопротивление, а конденсатор уже разрядился, величина максимального значения импульсов зарядного тока еще больше увеличивается. В результате надежность снижается. Обычно, эту проблему решают путем уменьшения количества включений стабилизатора в сеть, поддержания конденсатора в заряженном состоянии, а управление выходными параметрами обеспечивают изменением режима работы стабилизатора. В связи с тем, что все цепи стабилизатора гальванически связаны с сетью, приходится обеспечивать безопасность эксплуатации или конструктивными методами, или использовать только те элементы управления (выключатели, кнопки, переменные резисторы и т.д.), которые отвечают требованиям безопасности.
Это сильно сужает перечень возможных элементов управления, не позволяет использовать миниатюрные элементы управления и производить целый ряд оригинальных изделий, снижаются эксплуатационные характеристики и т.д.
Известны устройства, в которых исходная информация о том, как должен работать стабилизатор, элементы которого связаны с сетью, поступает со стороны гальванически не связанного с сетью участка схемы с помощью оптрона или трансформатора [4]. В этих устройствах всегда присутствуют два раздельных канала (устройства) гальванической развязки. Первый канал - это канал передачи электрической энергии. Второй канал - это канал передачи информации.
Преимущества предлагаемых устройств по сравнению с аналогами заключается в том, что они имеют всего один элемент (устройство), совмещающий в себе функции канала передачи энергии и информации, а это приводит к сокращению потерь электроэнергии, упрощению и уменьшению стоимости устройства, обеспечивающего гальваническую развязку элементов управления.
На фиг.3, 4 и 5 приведены простые, дешевые и имеющие низкое энергопотребление устройства управления, обеспечивающие гальваническую развязку от сети.
Работают устройства следующим образом. Выход генератора прямоугольного напряжения 3.3 (4.6; 5.3) через резистор 3.4 (4.8; 5.5), ограничивающий ток через первичную обмотку импульсного трансформатора 3.6 (4.9; 5.6) на определенном низком уровне, и конденсатор 3.5 (4.7; 5.4), симметрирующий процесс перемагничивания сердечника, подключен к первичной обмотке импульсного трансформатора 3.6 (4.9; 5.6).
В результате наличия индуктивности рассеяния в цепи первичной обмотки трансформатора 3.6 (4.9; 5.6) амплитуда импульсов на первичной обмотке практически не зависит от того, в каком состоянии находится выключатель 3.9 (кнопки 4.12 или резистор 5.8). При размыкании контактов выключателя 3.9 происходит резкое увеличение длительности импульса на первичной обмотке трансформатора, а при изменении величины сопротивления 5.8 длительность импульса меняется плавно в определенных пределах. Фильтр 3.7 (4.10; 5.7) преобразует изменение длительности входных импульсов в изменение амплитуды выходных импульсов. Выходное напряжение выпрямителя 3.8 (4.11) сравнивается с напряжением делителя 3.1 (4.1) компаратором 3.2 (4.2), который выходным напряжением управляет работой стабилизатора. Таким образом, замкнутому состоянию контактов выключателя 3.9 соответствует выключенное состояние, а разомкнутому - включенное состояние стабилизатора. Каждое нажатие на любую из кнопок 4.12 приводит к изменению состояния стабилизатора на противоположное. Схема обнуления нужна для того, чтобы при отключении и последующем включении напряжения сети стабилизатор оказывался в выключенном состоянии. При линейном изменении величины сопротивления 5.8 выходное напряжение детектора 5.1 практически линейно меняется от некоторого минимального до максимального значения. Масштабный усилитель настраивается так, чтобы его выходное напряжение менялось от максимально положительного напряжения (минимальное сопротивление резистора 5.8) до предельно минимального (максимальное сопротивление резистора 5.8) с целью исключить возможность превышения максимального значения выходной величины стабилизатора при отключении резистора 5.8.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1089593, кл. G06G 7/63, 1984.
2. Data Sheet No. PD60293 IRS254(0,1)(S)PbF.
3. Data Sheet No. PD60030 IR2213(S) & (PbF).
4. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом / Л.А.Бас, В.П.Миловзоров, А.К.Мусолин. - М.: Радио и связь, 1987.