БЛОК ПИТАНИЯ
POWER SUPPLY UNIT

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к источникам питания, и может быть использовано для создания источников питания лазеров.
Известен [1] блок питания (БП) для лазерных излучающих диодов (ЛИД), содержащий устройство сравнения, транзистор и диод, использующиеся в качестве ключевого устройства, индуктивность, датчик тока, в качестве которого используется резистор.
Выход устройства сравнения электрически связан с управляющим выводом транзистора, вход устройства сравнения электрически связан с выходом датчика тока. Первые силовые выводы транзистора, диода и первый вывод индуктивности электрически связаны между собой, вторые силовые выводы транзистора и диода предназначены для подачи напряжения питания.
Второй вывод индуктивности электрически связан с первым выводом ЛИД, второй вывод которого электрически связан с входом датчика тока.
Во время работы БП, когда транзистор открыт, ток источника питания течет через него, индуктивность, ЛИД и датчик тока. Когда транзистор закрыт, индуктивность поддерживает ток, текущий в цепи диод, индуктивность, ЛИД, датчик тока. Во время работы падение напряжения на транзисторе составляет величину ~0,1 В, на диоде ~0,5 В, на ЛИД 3-5 В. Энерговыделение на диоде представляет собой пассивные потери, и так как падение напряжения на диоде составляет существенную часть от падения напряжения на ЛИД, то пассивные потери на диоде являются существенными для БП [1].
Существенно меньше пассивные потери в БП, описанном в [2], являющемся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбранном в качестве прототипа.
БП [2] содержит устройство сравнения, первый и второй транзисторы, использующиеся в качестве ключевого устройства, индуктивность, датчик тока, в качестве которого используется резистор.
Первый выход устройства сравнения электрически связан с управляющим выводом первого транзистора, второй выход электрически связан с управляющим выводом второго транзистора, а вход электрически связан с выходом датчика тока. Первые силовые выводы первого и второго транзисторов и первый вывод индуктивности электрически связаны между собой, вторые силовые выводы первого и второго транзисторов предназначены для подачи напряжения питания.
Второй вывод индуктивности электрически связан с первым выводом нагрузки, второй вывод которого электрически связан с входом датчика тока, выход которого электрически связан с входом устройства сравнения.
Так как БП [2] содержит в ключевом устройстве вместо диода транзистор, падение напряжения на котором составляет величину ~0,1 В (в отличие от падения напряжения на диоде ~0,5 В), пассивные потери в БП [2] существенно меньше, чем в БП [1].
Однако маломощный сигнал с выхода устройства сравнения не может быстро открыть (или быстро закрыть) транзисторы в связи с наличием паразитных емкостей транзисторов. А слабый сигнал с выхода датчика тока приводит к увеличению времени реакции устройства сравнения. Обе эти причины приводят к нестабильности тока через нагрузку. Кроме того, в указанном БП [2] недостаточна фильтрация импульсов тока, что приводит к большим пульсациям тока через нагрузку.
Указанные три причины приводят к тому, что ток БП через нагрузку будет нестабильным и с большими пульсациями.
Задачей настоящего изобретения является повышение стабильности и уменьшение пульсаций тока через нагрузку.
Сущность изобретения заключается в том, что блок питания, содержащий устройство сравнения, первый и второй транзисторы, первую индуктивность, датчик тока, при этом первый выход указанного устройства электрически связан с управляющим выводом первого транзистора, второй выход электрически связан с управляющим выводом второго транзистора, а вход электрически связан с выходом датчика тока, первые силовые выводы первого и второго транзисторов и первый вывод первой индуктивности электрически связаны между собой, вторые силовые выводы первого и второго транзисторов предназначены для подачи напряжения питания, в отличие от прототипа, содержит драйвер, усилитель сигнала, вторую индуктивность, первый и второй конденсаторы, при этом вход драйвера электрически связан с выходом устройства сравнения, первый и второй выходы драйвера электрически связаны с управляющими выводами первого и второго транзисторов, соответственно, вход усилителя сигнала электрически связан с выходом датчика тока, а выход усилителя сигнала электрически связан с входом устройства сравнения, второй вывод первой индуктивности, первый вывод второй индуктивности и первый вывод первого конденсатора электрически связаны между собой, второй вывод второй индуктивности электрически связан с первым выводом второго конденсатора, вторые выводы первого и второго конденсатора и вход датчика тока электрически связаны между собой.
Введение в БП драйвера, электрическая связь входа драйвера с выходом устройства сравнения, электрическая связь первого и второго выхода драйвера с управляющими выводами первого и второго транзисторов, соответственно, позволяет увеличить мощность управляющего сигнала на управляющих выводах транзисторов, обеспечить стабильное открывание транзисторов в процессе работы и таким образом обеспечить повышение стабильности тока через нагрузку.
Введение в БП усилителя сигнала, вход которого электрически связан с выходом датчика тока, а выход электрически связан с входом устройства сравнения, позволяет усилить сигнал на входе устройства сравнения, что обеспечивает стабильную работу устройства сравнения и таким образом обеспечивает повышение стабильности тока через нагрузку.
Введение в БП второй индуктивности, первого и второго конденсаторов, наличие электрической связи между собой второго вывода первой индуктивности, первого вывода второй индуктивности и первого вывода первого конденсатора, наличие электрической связи второго вывода второй индуктивности и первого вывода второго конденсатора, наличие электрической связи между собой вторых выводов первого и второго конденсаторов и входа датчика тока создает индуктивно-емкостной фильтр и таким образом позволяет уменьшить пульсации тока через нагрузку.
Изобретение поясняется чертежами.
На фигуре 1 представлена схема БП и подключения нагрузки.
На фигуре 2 представлена упрощенная схема устройства сравнения.
БП (Фиг.1) содержит устройство сравнения 1, датчик тока 2, в качестве которого применен резистор 3, усилитель 4 сигнала, драйвер 5, первый и второй транзисторы 6 и 7, соответственно, первую и вторую индуктивности 8 и 9, соответственно, первый и второй конденсаторы 10 и 11, соответственно. Возможно и иное выполнение датчика тока 2, например на датчике Холла.
Вход устройства сравнения 1 электрически связан с выходом усилителя 4 сигнала, а выход устройства сравнения 1 электрически связан с входом драйвера 5. Первый выход драйвера 5 электрически связан с управляющим выводом первого транзистора 6, второй выход электрически связан с управляющим выводом второго транзистора 7.
Первые силовые выводы первого 6 и второго 7 транзисторов и первый вывод первой индуктивности 8 электрически связаны между собой, а вторые силовые выводы первого 6 и второго 7 транзисторов предназначены для подачи напряжения питания.
Второй вывод первой индуктивности 8, первый вывод второй индуктивности 9 и первый вывод первого конденсатора 10 электрически связаны между собой, второй вывод второй индуктивности 9 электрически связан с первым выводом второго конденсатора 11, вторые выводы первого 10 и второго 11 конденсаторов и вход датчика тока 2 электрически связаны между собой. Нагрузка 12 (ЛИД) подключена параллельно второму конденсатору 11.
Устройство сравнения 1 предназначено для формирования опорного сигнала, сравнения его с сигналом, поступающим на его вход с выхода усилителя 4 сигнала, и выдачи сигнала управления на вход драйвера 4.
Устройство сравнения 1 (Фиг.2) содержит компаратор 13, в качестве которого используется микросхема LM397MF, первый вход которого электрически связан с выходом усилителя 4 сигнала, а второй вход электрически связан с переменным выводом переменного резистора 14, входящего в резистивный делитель, образованный переменным резистором 14 и постоянными резисторами 15, 16, 17. Выход компаратора 13 электрически связан с входом драйвера 5, постоянными резисторами 16 и 17 и переменным резистором 14.
В качестве датчика тока 2 (Фиг.1) используется резистор 3 типа OAR1-R010FI.
Усилитель 4 сигнала предназначен для усиления сигнала, поступающего с выхода датчика тока 2, и выполнен на микросхеме LMC7101AIM5.
Драйвер 5 предназначен для формирования мощных управляющих сигналов для управления транзисторами 6 и 7, обеспечивая стабильное открывание и закрывание транзисторов 6 и 7. Драйвер 5 выполнен на микросхеме IR2104SPBF.
В качестве первого и второго транзисторов 6 и 7 применены транзисторы IRF1104PBF.
В качестве первой и второй индуктивности 8 и 9 использованы дроссели с индуктивностью около 100 мкГенри, в качестве первого и второго конденсаторов 10 и 11 применены конденсаторы емкостью 220 мкФ типа 50ZL220M10X16.
Резистор 14 применен типа 3362P-1-103LF (10К), резистор 15 типа Р1-12-0,25-24 КОм ± 5%-М-А, резистор 16 типа Р1-12-0,25-51 КОм ± 5%-М-А, резистор 17 типа Р1-12-0,25-10 КОм ± 5%-М-А.
БП работает следующим образом.
1
При подаче напряжения U питания на БП постоянное положительное напряжение U подается в устройстве сравнения 1 (Фиг.1) на резистивный делитель (Фиг.2), образованный переменным резистором 14 и постоянными резисторами 15, 16, 17. Поступающее на второй вход компаратора 13 напряжение с переменного вывода переменного резистора 14 является опорным и служит для сравнения с сигналом, поступающим на первый вход компаратора 13 с выхода усилителя 4 сигнала.
1
1
1
В начальный момент времени после подачи напряжения U питания на БП (Фиг.1) ток, текущий через индуктивность 8 и датчик тока 2, возрастает от нуля и является малым. Также возрастает от нуля и является малым сигнал с выхода датчика тока 2, и соответственно, возрастает от нуля и является малым усиленный сигнал с выхода усилителя 4 сигнала, поступающий на первый вход компаратора 13. В то время пока сигнал на первом входе компаратора 13 меньше напряжения на втором его входе (Фиг.2), сопротивление между выходом и выводом компаратора 13, на который подано напряжение с вывода отрицательного напряжения источника питания, велико и существенно больше сопротивления резисторов 17 и 16. В этом случае напряжение с переменного вывода переменного резистора 14 создается суммарным током от источника постоянного положительного напряжения U, протекающим через переменный резистор 14 по цепям через резисторы 17, 16, 14 и через резисторы 15, 14. Напряжение с переменного вывода переменного резистора 14 поступает на второй вход компаратора 13 и определяет максимальное пороговое значение сигнала на первом входе компаратора 13 (Фиг.2). Напряжение на выходе компаратора 13 практически равно напряжению источника питания U и приложено ко входу драйвера 5 (Фиг.1), который при этом подает сигнал открывания на первый транзистор 6 и одновременно снимает сигнал открывания для второго транзистора 7. Первый транзистор 6 (второй транзистор 7 в это время закрыт) открыт, и ток от источника питания БП течет через первый транзистор 6, первую 8 и вторую 9 индуктивности, через нагрузку 12 и через конденсаторы 10 и 11, заряжая конденсаторы 10 и 11. По мере заряда конденсаторов 10 и 11 ток через нагрузку 12 растет, растет также ток, протекающий через датчик тока 2. Когда сигнал с выхода усилителя 4 сигнала (Фиг.1) возрастает до максимального порогового значения, выход компаратора 13 (Фиг.2) соединяется с выводом компаратора 13, на который подано напряжение с вывода отрицательного напряжения источника питания. При этом сопротивление между выходом и указанным выводом компаратора 13 становится малым и близким к нулю. Напряжение на выходе компаратора 13, приложенное ко входу драйвера 5, уменьшается от напряжения источника питания U практически до нуля. Драйвер 5 (Фиг.1) при этом подает сигнал открывания на второй транзистор 7 и одновременно снимает сигнал открывания для первого транзистора 6.
1
Одновременно с уменьшением практически до нуля напряжения на выходе компаратора 13 (соответственно, на входе драйвера 5) уменьшается и напряжение с переменного вывода переменного резистора 14 (Фиг.2), так как в этом случае оно создается током от источника постоянного напряжения U через переменный резистор 14 по цепи через резисторы 15, 14 (параллельно переменной части которого соединен резистор 16). Так как напряжение с переменного вывода переменного резистора 14, поступающее на второй вход компаратора 13, определяет пороговое значение сигнала на первом входе компаратора 13 (Фиг.2), то уменьшенное значение напряжения с переменного вывода переменного резистора 14 определяет минимальное пороговое значение сигнала на первом входе компаратора 13 (Фиг.2).
При закрывании первого транзистора 6 и открывании второго транзистора 7 конденсаторы 10 и 11 разряжаются через нагрузку 12 и через второй транзистор 7. Ток, протекающий через датчик тока 2, уменьшается, и при достижении минимального порогового значения сигнала с выхода усилителя 4 сигнала датчика тока 2 (Фиг.1) сопротивление между выходом компаратора 13 (Фиг.2) и выводом компаратора 13, на который подано напряжение с вывода отрицательного напряжения источника питания, становится велико и существенно больше сопротивления резисторов 17 и 16.
1
Напряжение на выходе компаратора 13, приложенное ко входу драйвера 5, увеличивается практически до напряжения источника питания U. Драйвер 5 (Фиг.1) при этом подает сигнал открывания на первый транзистор 6 и одновременно снимает сигнал открывания для второго транзистора 7.
-5
-5
Таким образом, повторяется процесс, описанный ранее при включении БП. Ток, протекающий через датчик тока 2, периодически растет до максимального порогового значения и спадает до минимального порогового значения. Время возрастания и уменьшения тока через датчик тока 2 определяется напряжением источника питания U и значением индуктивности 8 и составляет в нашем случае 5·10-2,5·10 с.
Ток, протекающий через датчик тока 2, является суммой токов, протекающих через конденсаторы 10 и 11 и через нагрузку 12. При этом в установившемся режиме переменная составляющая тока протекает через конденсаторы 10 и 11, постоянная составляющая тока протекает через нагрузку 12. Изменения напряжения в цепи протекающего через нагрузку 12 тока падают на индуктивностях 8 и 9. Индуктивности 8 и 9 и конденсаторы 10 и 11 создают индуктивно-емкостной фильтр, поддерживающий при этом практически постоянным и с малыми пульсациями ток через нагрузку 12.
Таким образом, БП обеспечивает повышение стабильности и уменьшение пульсаций тока через нагрузку.
Источники информации
1. Импульсный стабилизатор постоянного тока до 0,5 А для питания высокомощных светоизлучающих диодов, с.10-12 (онлайн). (Найдено 2009-06-12). Найдено в Интернет: <URL: http://www.famell.com/datasheets/87851.pdf>.
2. Импульсный стабилизатор тока с синхронным детектором и управляемым выходом, с.7, фиг.2А (онлайн). (Найдено 2009-06-12). Найдено в Интернет: <URL: http://www.farnell.com/datasheets/77082.pdf>. - Прототип.