КВАЗИРЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Техническое решение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.
Известно применение в составе однотактных преобразователей постоянного напряжения датчика тока, в качестве элемента, ограничивающего максимальное значение тока в первичной обмотке трансформатора [1], [2], [3]. Наличие датчика тока в цепи первичной обмотки трансформатора позволяет защитить транзистор от опасных значений тока и устраняет возможность насыщения магнитопроводов трансформатора в [1] и дросселя выходного фильтра в [2], [3]. В однотактных преобразователях [1], [2], [3] содержатся входные выводы для подачи постоянного напряжения питания, трансформатор, состоящий из первичной и вторичной обмоток, транзистор, датчик тока, выпрямитель, фильтр, выходные выводы, схема управления. Взаимодействие между элементами схем однотактных преобразователей [1], [2], [3] можно проследить на основе анализа связей между элементами: между входными выводами последовательно включены первичная обмотка трансформатора, транзистор и датчик тока, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами однотактного преобразователя, выход схемы управления соединен с управляющим электродом транзистора. Схема управления однотактных преобразователей [1], [2], [3] состоит из компаратора, источника опорного напряжения, усилителя контура стабилизации выходного напряжения и ряда других элементов. В схеме управления однотактных преобразователей [1], [2], [3] можно выделить токовый контур регулирования: выход датчика тока соединен с первым входом компаратора, второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения, выход компаратора через промежуточные элементы схемы управления соединен с управляющим электродом транзистора. Работа токового контура регулирования в однотактных преобразователях [1], [2], [3] осуществляется независимо от работы контура стабилизации выходного напряжения однотактного преобразователя.
Для такой схемы управления работой однотактного преобразователя характерны следующие недостатки:
- низкая устойчивость однотактного преобразователя к воздействию внешних возмущающих факторов (изменение уровня входного напряжения или изменение нагрузки на выходе преобразователя), переход к новому установившемуся режиму сопровождается колебаниями выходного напряжения;
- низкое быстродействие однотактного преобразователя, для перехода к новому установившемуся режиму после воздействия внешних возмущающих факторов требуется сравнительно большой промежуток времени.
Известны однотактные преобразователи постоянного напряжения, схема управления которых выполнена так, что токовый контур регулирования является подчиненным (внутренним) по отношению к основному контуру стабилизации выходного напряжения [4] стр. 290. Схема аналога [4] стр. 290 выполнена с применением, так называемого, управления работой преобразователя в режиме пикового тока, в зарубежной литературе такой режим управления работой преобразователя обозначается «current mode». Управление работой преобразователя в режиме пикового тока наиболее просто реализуется с помощью микросхем ШИМ-контроллеров [5], [6]. На стр. 1 в [5] показана внутренняя структура ШИМ-контроллера, на стр. 9 в [5] показана типовая схема однотактного обратноходового преобразователя, реализованная на основе микросхемы ШИМ-контроллера. Отличительной особенностью управления работой однотактного преобразователя в режиме пикового тока является наличие двух типов контуров регулирования:
- подчиненный (внутренний) токовый контур регулирования;
- основной (внешний) контур стабилизации выходного напряжения.
Из [4] стр. 289 известно, что наличие двух типов контуров регулирования (один из которых подчинен другому) в составе однотактного преобразователя чрезвычайно благоприятно сказывается на его устойчивости и быстродействии. Схема аналога [4] стр. 290 содержит первый и второй входные выводы, трансформатор, состоящий из первичной и вторичной обмоток, транзистор, датчик тока, выпрямитель, фильтр, выходные выводы, RS-триггер, компаратор, генератор импульсов, усилитель контура стабилизации выходного напряжения, источник опорного напряжения, причем, второй входной вывод является общим проводом схемы преобразователя, между входными выводами преобразователя последовательно включены первичная обмотка трансформатора, транзистор и датчик тока, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, выход RS-триггера соединен с управляющим электродом транзистора, вход R RS-триггера соединен с выходом компаратора, вход S RS-триггера соединен с выходом генератора импульсов, выход датчика тока соединен с первым входом компаратора, выход усилителя контура стабилизации выходного напряжения соединен с вторым входом компаратора, первый вход усилителя контура стабилизации выходного напряжения соединен с источником опорного напряжения, второй вход усилителя контура стабилизации выходного напряжения соединен с выходным выводом преобразователя, подчиненный (внутренний) токовый контур регулирования реализован соединением выхода датчика тока с первым входом компаратора, контур стабилизации выходного напряжения реализован соединением выходного вывода преобразователя с вторым входом усилителя контура стабилизации выходного напряжения.
Аналог [5] стр. 9 содержит в своем составе узел оптической развязки между входом и выходом преобразователя, работа этого узла не рассматривается, так как не влияет на достижение технического результата, присущего предлагаемого технического решения. Схема аналога [5] стр. 9 питается от сети переменного тока через сетевой выпрямитель и сетевой фильтр, преобразователь постоянного напряжения содержит трансформатор, состоящий из первичной, вторичных и вспомогательной обмоток, транзистор, датчик тока, выпрямители, фильтры, выходные выводы, узел оптической развязки, усилитель контура стабилизации выходного напряжения, расположенный на вторичной стороне преобразователя, источник опорного напряжения, расположенный во внутренней структуре микросхемы - усилителя, первую цепь комплексного сопротивления, вторую цепь комплексного сопротивления. Схема управления аналога [5] стр. 9 реализована с использованием ШИМ-контроллера, внутренняя структура которого содержит: RS-триггер, компаратор, генератор импульсов и другие элементы. Между входными выводами аналога [5] стр. 9 последовательно включены первичная обмотка трансформатора, транзистор и датчик тока, вторичные обмотки трансформатора через выпрямители и фильтры подключены к выходным выводам преобразователя, выход RS-триггера, находящегося во внутренней структуре ШИМ-контроллера, соединен через промежуточные элементы схемы с управляющим электродом транзистора, вход R RS-триггера соединен с выходом компаратора (во внутренней структуре ШИМ-контроллера), вход S RS-триггера соединен с выходом генератора импульсов (во внутренней структуре ШИМ-контроллера), между входом генератора импульсов и общим проводом схемы преобразователя включен конденсатор, выход датчика тока через промежуточные элементы схемы соединен с первым входом компаратора (во внутренней структуре ШИМ-контроллера), выход усилителя контура стабилизации выходного напряжения через узел оптической развязки соединен с вторым входом компаратора, первый вход усилителя контура стабилизации выходного напряжения соединен с источником опорного напряжения (во внутренней структуре микросхемы - усилителя), между выходом и вторым входом усилителя контура стабилизации выходного напряжения включена первая цепь комплексного сопротивления, между вторым входом усилителя контура стабилизации выходного напряжения и выходами преобразователя включена вторая цепь комплексного сопротивления. Работа аналога [5] стр. 9 происходит на фиксированной частоте, которая задается конденсатором на входе генератора импульсов и цепью заряда этого конденсатора, при этом, напряжение на конденсаторе имеет форму пилы, так как происходит периодический заряд и разряд конденсатора (см. [6] стр. 7, Fig. 14). В аналоге [5] стр. 9, токовый контур регулирования реализован соединением выхода датчика тока через промежуточные элементы с первым входом компаратора, находящегося во внутренней структуре ШИМ-контроллера, токовый контур регулирования подчинен контуру стабилизации выходного напряжения.
Недостатками аналогов [4] стр. 290 и [5] стр. 9, которые обладают хорошей устойчивостью и быстродействием, является то, что они характеризуются сравнительно высоким уровнем потерь энергии при переключениях силовых элементов схемы и сравнительно высоким уровнем излучения высокочастотных помех, так как в этих схемах не используются положительные эффекты, присущие резонансным (квазирезонансным) преобразователям. Современная тенденция развития схемотехники преобразователей состоит в том, что разработчики реализуют решения, позволяющие снизить потери энергии на переключение и снизить уровень излучаемых помех, на основе использования резонансных колебаний напряжения и тока на элементах силовой части схемы преобразователя.
Известны аналоги предлагаемой полезной модели, схема управления которых выполнена с использованием специальных ШИМ-контроллеров, для которых квазирезонансный режим работы преобразователя является основным рабочим режимом [8] стр. 12 и [9] стр. 6. По отношению к аналогам [8] стр. 12 и [9] стр. 6, техническим результатом предлагаемой полезной модели следует считать решение задачи расширения арсенала технических средств, направленных на перевод схемы преобразователя в квазирезонансный режим работы. В предлагаемой полезной модели квазирезонансный режим работы преобразователя осуществлен при использовании ШИМ-контроллера, для которого квазирезонансный режим работы не предусмотрен. Специальные ШИМ-контроллеры, предназначенные для работы в квазирезонансном режиме, имеют более сложную внутреннюю структуру, отличаются более высокой потребляемой мощностью и более высокой стоимостью, поэтому использование специальных ШИМ-контроллеров [8] и [9] не всегда оправдано.
Прототипом предлагаемого технического решения является квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения, представленный в [7] стр. 599, Fig. 3. Схема прототипа [7] стр. 599, Fig. 3 содержит входные выводы, подключенные к источнику постоянного напряжения, трансформатор, состоящий из первичной, вторичной и вспомогательной обмоток, транзистор, датчик тока, выпрямитель, фильтр, выходные выводы, RS-триггер, первый компаратор, второй компаратор, усилитель контура стабилизации выходного напряжения, источник опорного напряжения, первую цепь комплексного сопротивления, вторую цепь комплексного сопротивления, моностабильный мультивибратор, логический элемент И, D-триггер, элемент задержки распространения сигнала, причем, между входными выводами преобразователя последовательно включены первичная обмотка трансформатора, транзистор и датчик тока, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, выход RS-триггера соединен с управляющим электродом транзистора, с первым входом моностабильного мультивибратора и с входом R D-триггера, вход R RS-триггера соединен с выходом первого компаратора, вход S RS-триггера соединен с выходом элемента задержки распространения сигнала, выход датчика тока соединен с первым входом первого компаратора, выход усилителя контура стабилизации выходного напряжения соединен с вторым входом первого компаратора и с вторым входом моностабильного мультивибратора, первый вход усилителя контура стабилизации выходного напряжения соединен с источником опорного напряжения, между выходом и вторым входом усилителя контура стабилизации выходного напряжения включена первая цепь комплексного сопротивления, между вторым входом усилителя контура стабилизации выходного напряжения и выходным выводом преобразователя включена вторая цепь комплексного сопротивления, первый вывод вспомогательной обмотки трансформатора соединен с общим проводом, второй вывод вспомогательной обмотки трансформатора соединен с входом второго компаратора, выход второго компаратора соединен с первым входом логического элемента И, выход моностабильного мультивибратора соединен с вторым входом логического элемента И, выход логического элемента И соединен с входом С D-триггера, выход D-триггера соединен с входом элемента задержки распространения сигнала. В схеме прототипа [7] стр. 599, Fig. 3 подчиненный (внутренний) токовый контур регулирования реализован соединением выхода датчика тока к первому входу первого компаратора, при этом, датчик тока выполнен из двух деталей: чувствительного элемента и преобразователя датчика тока. Контур стабилизации выходного напряжения в схеме прототипа [7] стр. 599, Fig. 3 реализован соединением выходного вывода преобразователя к второму входу усилителя контура стабилизации выходного напряжения через вторую цепь комплексного сопротивления, при этом, выход усилителя контура стабилизации выходного напряжения соединен с вторым входом первого компаратора. Схема прототипа [7] стр. 599, Fig. 3 не содержит в своем составе генератор импульсов и конденсатор, определяющий частоту преобразования, в квазирезонансных преобразователях источником колебаний является выходной электрод транзистора, а частота преобразования изменяется в зависимости от тока нагрузки. В схеме прототипа [7] стр. 599, Fig. 3 квазирезонансный режим работы преобразователя достигается за счет того, что импульсы для включения транзистора синхронизируются с высокочастотными колебаниями напряжения VDS на выходном электроде транзистора, передача импульсов происходит по цепи: второй вывод вспомогательной обмотки трансформатора, второй компаратор, элемент И, D-триггер, элемент задержки распространения сигнала, вход S RS-триггера. В схеме прототипа [7] стр. 599, Fig. 3 квазирезонансный режим работы преобразователя сохраняется при уменьшении тока нагрузки, при этом не происходит увеличения частоты коммутации транзистора и увеличения потерь энергии на переключение силовых элементов, это достигается за счет введения в схему моностабильного мультивибратора, управляющего частотой коммутации транзистора. Недостатки прототипа:
- сложность схемы, схема содержит дополнительные элементы, отсутствующие в типовых схемах однотактных преобразователей на основе микросхем ШИМ-контроллеров, предназначенных для работы на фиксированной частоте преобразования;
- препятствия при практической реализации схемы, если при реализации схемы сделать попытку использовать элементы, расположенные во внутренней структуре микросхемы ШИМ-контроллера, возникнут непреодолимые препятствия для осуществления связей между элементами, например, невозможно выполнить соединение с входом S RS-триггера.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является то, что упрощается схема квазирезонансного преобразователя постоянного напряжения. По сравнению с прототипом, в предлагаемой полезной модели исключены: логический элемент И, D-триггер, элемент задержки распространения сигнала.
Технический результат достигается за счет того, что в квазирезонансном преобразователе постоянного напряжения, содержащем первый и второй входные выводы, трансформатор, состоящий из первичной, вторичной и вспомогательной обмоток, транзистор, датчик тока, выпрямитель, фильтр, выходные выводы, RS-триггер, компаратор, генератор импульсов, конденсатор, усилитель контура стабилизации выходного напряжения, источник опорного напряжения, моностабильный мультивибратор, второй усилитель, первую цепь комплексного сопротивления, вторую цепь комплексного сопротивления, связи между элементами выполнены так, что второй входной вывод является общим проводом схемы преобразователя, между входными выводами преобразователя последовательно включены первичная обмотка трансформатора, транзистор и датчик тока, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, выход RS-триггера соединен с управляющим электродом транзистора и с первым входом моностабильного мультивибратора, вход R RS-триггера соединен с выходом компаратора, вход S RS-триггера соединен с выходом генератора импульсов, между входом генератора импульсов и общим проводом включен конденсатор, выход датчика тока соединен с первым входом компаратора, выход усилителя контура стабилизации выходного напряжения соединен с вторым входом компаратора и с вторым входом моностабильного мультивибратора, первый вход усилителя контура стабилизации выходного напряжения соединен с источником опорного напряжения, между выходом и вторым входом усилителя контура стабилизации выходного напряжения включена первая цепь комплексного сопротивления, между вторым входом усилителя контура стабилизации выходного напряжения и выходным выводом преобразователя включена вторая цепь комплексного сопротивления, первый вывод вспомогательной обмотки трансформатора соединен с общим проводом, второй вывод вспомогательной обмотки трансформатора соединен с входом второго усилителя, по сравнению с прототипом, изменены связи между элементами схемы квазирезонансного преобразователя постоянного напряжения:
- выход второго усилителя соединен с выводом конденсатора;
- между выходом моностабильного мультивибратора и первым входом компаратора включен диод.
На фиг. 1 приведена схема квазирезонансного преобразователя постоянного напряжения со следующими обозначениями:
1 - первый входной вывод;
2 - второй входной вывод;
3 - трансформатор;
3.1 - первичная обмотка трансформатора;
3.2 - вторичная обмотка трансформатора
3.3 - вспомогательная обмотка трансформатора;
4 - транзистор;
5 - датчик тока, состоящий из чувствительного элемента датчика тока 5.1 и преобразователя датчика тока 5.2;
6 - выпрямитель;
7 - фильтр;
8 - выходной вывод;
9 - RS-триггер;
10 - компаратор;
11 - генератор импульсов;
12 - конденсатор;
13 - усилитель контура стабилизации выходного напряжения;
14 - источник опорного напряжения;
15 - моностабильный мультивибратор;
16 - второй усилитель;
17 - первая цепь комплексного сопротивления;
18 - вторая цепь комплексного сопротивления;
19 - диод.
Датчик тока 5 на фиг. 1 показан выполненным из двух деталей, как в прототипе.
На фиг. 2 приведена схема квазирезонансного преобразователя постоянного напряжения, выполненная с использованием ШИМ-контроллера, для которого квазирезонансный режим работы не предусмотрен техническим описанием производителя микросхемы. Обозначения элементов на фиг. 2 совпадают с обозначениями элементов на фиг. 1. На фиг. 2, по сравнению с фиг. 1, добавлен ШИМ-контроллер 20, часть элементов квазирезонансного преобразователя расположена во внутренней структуре микросхемы ШИМ-контроллера: RS-триггер 9, компаратор 10, генератор импульсов 11, усилитель контура стабилизации выходного напряжения 13, источник опорного напряжения 14. На фиг. 2 показан резистивный датчик тока 5.
На фиг. 3 представлены осциллограммы, поясняющие работу схемы, представленной на фиг. 1 при высоком значении тока нагрузки на выходе квазирезонансного преобразователя. Обозначения на фиг. 3:
- VGS, импульсный сигнал на управляющем электроде транзистора 4;
- ISW, ток в цепи первичной обмотки трансформатора 3.1, ток через транзистор 4;
- VDS, напряжение на выходном электроде транзистора 4;
- VAX, напряжение на втором выводе вспомогательной обмотки трансформатора 3.3;
- VC, сигнал на выводе конденсатора 12, сигнал на входе генератора импульсов 11;
- VMMV, сигнал на выходе моностабильного мультивибратора 15;
- ISW+VMMV, сигнал на первом входе компаратора 10.
На фиг. 4 представлены осциллограммы, поясняющие работу схемы на фиг. 1 при среднем значении тока нагрузки. Обозначения на фиг. 4 совпадают с обозначениями на фиг. 3.
На фиг. 5 представлены осциллограммы, поясняющие работу схемы на фиг. 1 при холостом ходе. Обозначения на фиг. 5 совпадают с обозначениями на фиг. 3.
Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения на фиг. 1 содержит первый входной вывод 1, второй входной вывод 2, трансформатор 3, состоящий из первичной обмотки 3.1, вторичной обмотки 3.2 и вспомогательной обмотки 3.3, транзистор 4, датчик тока 5, состоящий из чувствительного элемента датчика тока 5.1 и преобразователя датчика тока 5.2, выпрямитель 6, фильтр 7, выходной вывод 8, RS-триггер 9, компаратор 10, генератор импульсов 11, конденсатор 12, усилитель контура стабилизации выходного напряжения преобразователя 13, источник опорного напряжения 14, моностабильный мультивибратор 15, второй усилитель 16, первую цепь комплексного сопротивления 17, вторую цепь комплексного сопротивления 18, диод 19. Соединения между элементами выполнены так, что второй входной вывод 2 является общим проводом схемы преобразователя, между входными выводами 1 и 2 преобразователя последовательно включены первичная обмотка трансформатора 3.1, транзистор 4 и датчик тока 5, вторичная обмотка трансформатора 3.2 через выпрямитель 6 и фильтр 7 соединена с выходными выводами преобразователя 8 и 2, выход RS-триггера 9 соединен с управляющим электродом транзистора 4 и с первым входом моностабильного мультивибратора 15, вход R RS-триггера 9 соединен с выходом компаратора 10, вход S RS-триггера 9 соединен с выходом генератора импульсов 11, между входом генератора импульсов 11 и общим проводом включен конденсатор 12, выход датчика тока 5 соединен с первым входом компаратора 10, выход усилителя контура стабилизации выходного напряжения 13 соединен с вторым входом компаратора 10 и с вторым входом моностабильного мультивибратора 15, первый вход усилителя контура стабилизации выходного напряжения 13 соединен с источником опорного напряжения 14, между выходом и вторым входом усилителя контура стабилизации выходного напряжения 13 включена первая цепь комплексного сопротивления 17, между вторым входом усилителя контура стабилизации выходного напряжения 13 и выходным выводом 8 включена вторая цепь комплексного сопротивления 18, первый вывод вспомогательной обмотки трансформатора 3.3 соединен с общим проводом 2, второй вывод вспомогательной обмотки трансформатора 3.3 соединен с входом второго усилителя 16. В отличии от прототипа, на схеме заявленного технического решения выход второго усилителя 16 соединен с выводом конденсатора 12, а между выходом моностабильного мультивибратора 15 и первым входом компаратора 10 включен диод 19.
Предлагаемый квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения сохраняет положительные свойства, присущие прототипу:
- токовый контур регулирования, реализованный соединением выхода датчика тока 5 к первому входу компаратора 10, является подчиненным (внутренним) по отношению к контуру стабилизации выходного напряжения;
- квазирезонансный режим работы преобразователя достигается без введения в силовую часть преобразователя специальных резонансных элементов, в качестве резонансной емкости может быть использована выходная емкость транзистора 4, не обозначенная на фиг. 1;
- квазирезонансный режим работы преобразователя сохраняется при уменьшении тока нагрузки (до уровня холостого хода), при этом не происходит значительного увеличения частоты коммутации транзистора 4 и увеличения потерь энергии при переключениях силовых элементов, это достигается за счет сохранения в схеме моностабильного мультивибратора 15, управляющего частотой коммутации транзистора 4 (ограничивающего увеличение частоты коммутации транзистора 4).
Предлагаемый квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения имеет преимущества по сравнению с прототипом:
- упрощена схема;
- облегчена реализация устройства при использовании микросхемы ШИМ-контроллера, как показано на фиг. 2.
Предлагаемое устройство может быть реализовано на серийной элементной базе. На предприятии были изготовлены опытные образцы устройства. Принцип работы предлагаемого устройства изложен с использованием осциллограмм на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, полученных при испытании опытных образцов. Если не выполнять соединений, обозначенных в отличительной части формулы полезной модели, то устройство будет работать в обычном (не квазирезонансном) режиме, как преобразователь с фиксированной частотой преобразования, частота преобразования будет определяться значением емкости конденсатора 12, напряжение на выводе конденсатора 12 будет иметь форму пилы (см. [6] стр. 7, Fig. 14). Выполнение соединений, обозначенных в отличительной части формулы полезной модели, переводит устройство в квазирезонансный режим работы, при квазирезонансном режиме работы частота преобразования зависит от значения тока нагрузки. Импульсные сигналы VGS на управляющем электроде вызывают включение транзистора 4 и линейное нарастание тока в первичной обмотке трансформатора 3.1, что отражено на осциллограммах ISW на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5. После достижения определенного пикового значения тока, происходит выключение управляющего импульса VGS на выходе RS-триггера 9 и выключение транзистора 4. Значение пикового тока можно определить, разделив значение напряжения VEA выхода усилителя контура стабилизации выходного напряжения 13 на значение эквивалентного сопротивления Rs датчика тока 5. Сопоставив между собой осциллограммы VGS и ISW на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, можно заметить, что уменьшение тока нагрузки на выходе квазирезонансного преобразователя вызывает сокращение длительности импульса на управляющем электроде транзистора 4 и уменьшение значения пикового тока при котором происходит выключение транзистора 4. Такая закономерность является следствием того, что токовый контур регулирования является подчиненным (внутренним) по отношению к контуру стабилизации выходного напряжения квазирезонансного преобразователя. При уменьшении тока нагрузки, схема автоматически сокращает значение запасаемой обмотками трансформатора энергии в каждом цикле коммутации, таким образом обеспечиваются хорошие параметры устойчивости и быстродействия. В каждом цикле коммутации, после выключения транзистора 4, энергия, накопленная в первичной обмотке трансформатора 3.1, передается на выход квазирезонансного преобразователя 8, через вторичную обмотку трансформатора 3.2, выпрямитель 6 и фильтр 7. Передача энергии на выход преобразователя 8 сопровождается высоким значением уровня напряжения VDS на выходном электроде транзистора 4 (см. осциллограмму VDS на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5). После завершения передачи энергии на выход квазирезонансного преобразователя 8, начинается резонансный колебательный процесс в контуре: индуктивность намагничивания первичной обмотки трансформатора 3.1, выходная емкость транзистора 4 (на фиг. 1 не обозначена). Сопоставление осциллограмм VDS на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, позволяет сделать вывод, что в предлагаемом устройстве, включение транзистора 4, в каждом цикле коммутации, происходит в нижней точке резонансного колебательного процесса при любом изменении нагрузки. Включение транзистора 4 при минимальном значении напряжения VDS (в нижней точке резонансного процесса) приводит к сокращению потерь энергии на переключение силовых элементов схемы и к снижению уровня излучаемых высокочастотных помех, то есть в предлагаемом устройстве достигнут квазирезонансный режим работы. Квазирезонансный режим работы предлагаемого устройства обеспечивается благодаря наличию синхронизирующей цепи: второй вывод вспомогательной обмотки трансформатора 3.3, вход второго усилителя 16, выход второго усилителя 16, вывод конденсатора 12; вход генератора импульсов 11, выход генератора импульсов 11, вход S RS-триггера. В отличительной части формулы полезной модели отражена часть этой синхронизирующей цепи в качестве первого признака: выход второго усилителя 16 соединен с выводом конденсатора 12. Можно считать, что второй компаратор в схеме прототипа [7] стр. 599, Fig. 3 и второй усилитель 16 в предлагаемом устройстве выполняют аналогичную функцию согласования, компаратор можно рассматривать как вид усилителя, поэтому, соединение между вторым выводом вспомогательной обмотки 3.1 и входом второго усилителя 16 является известным и отражено в ограничительной части формулы полезной модели. Известно, что работу ШИМ-контроллеров можно синхронизировать от внешнего генератора импульсов [6] стр. 11, Fig. 23. В предлагаемом устройстве внешним генератором импульсов является напряжение VDS на выходном электроде транзистора 4. Выходной электрод транзистора 4 соединен с первичной обмоткой трансформатора 3.1, поэтому напряжение VAX на втором выводе вспомогательной обмотки трансформатора 3.3 меньше VDS на величину коэффициента трансформации и повторяет форму напряжения VDS, с той разницей, что напряжение VAX является переменным (биполярным). Сопоставление осциллограмм VAX на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, позволяет сделать вывод, что при снижении тока нагрузки увеличивается частота колебаний переменного сигнала VAX. Подача переменного напряжения VAX на вход второго усилителя 16 приводит к тому, что на выходе второго усилителя 16 формируется монополярный сигнал VC (см. фиг. 3). Форма сигнала VC в предлагаемом устройстве более сложная, чем в случае работы преобразователя в обычном (не квазирезонансном) режиме на фиксированной частоте (см. [6] стр. 7, Fig. 14). Форма сигнала VC в предлагаемом устройстве обусловлена свойствами второго усилителя 16, значением емкости конденсатора 12 и входным сопротивлением генератора импульсов 11. Воздействие напряжения VAX на вход второго усилителя 16 приводит к возникновению отрезков времени TD на выводе конденсатора 12 (см. VAX и VC на фиг. 3). Отрезок времени TD представляет собой промежуток времени между моментом перехода через нулевой уровень напряжения V АХ и моментом достижения минимального значения напряжения VC, снижение напряжения VC до минимального значения вызвано разрядом емкости конденсатора 12 через вход генератора импульсов 11. Формирование отрезка времени TD позволяет очень точно совместить момент времени включения транзистора 4 с моментом времени, при котором напряжение VDS имеет минимальное значение. Снижение напряжения VC до минимального значения может вызвать очередное включение транзистора 4, если к этому моменту времени действие импульса VMMV завершилось, как это показано на фиг. 3, то есть при высоком уровне тока нагрузки импульс VMMV не оказывает влияния на работу схемы преобразователя. Моностабильный мультивибратор 15, формирующий на своем выходе импульс VMMV, ограничивает увеличение частоты переключения транзистора 4 при снижении тока нагрузки на выходе преобразователя. В каждом цикле коммутации транзистора 4, подготовка к запуску схемы моностабильного мультивибратора 15 происходит по фронту импульса VGS на первом входе мультивибратора, запуск схемы моностабильного мультивибратора 15 происходит по спаду импульса VGS на первом входе мультивибратора. Благодаря тому, что второй вход моностабильного мультивибратора 15 соединен с выходом усилителя контура стабилизации выходного напряжения 13, на выходе моностабильного мультивибратора 15 формирует импульс VMMV, длительность которого имеет обратно-функциональную зависимость от тока нагрузки преобразователя, снижение тока нагрузки вызывает увеличение длительности импульса VMMV на выходе моностабильного мультивибратора 15 (см. VMMV на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5). Импульс VMMV является запрещающим для очередного включения транзистора 4, так как воздействует на первый вход компаратора 10 через диод 19. При уменьшении тока нагрузки до среднего значения (см. фиг. 4), первый отрезок времени TD1 формируется во время, когда действие импульса VMMV не закончилось, поэтому после окончания отрезка времени TD1 включения транзистора 4 не происходит. Второй отрезок времени TD2 на фиг. 4 формируется после окончания импульса VMMV, поэтому после окончания отрезка времени TD2 происходит очередное включение транзистора 4. На фиг. 4 видно, что при среднем значении тока нагрузки, осциллограмма VDS дополнена одним периодом резонансного колебания по сравнению с осциллограммой VDS на фиг. 3, то есть, снижение тока нагрузки сопровождается ограничением увеличения частоты переключения транзистора 4. При холостом ходе (см. фиг. 5), отрезки времени TD1, TD2, TD3 формируются в то время, когда действие импульса VMMV не закончилось, поэтому после окончания отрезков времени TD1, TD2, TD3 включения транзистора 4 не происходит. Отрезок времени TD4 на фиг. 5 формируется после окончания действия импульса VMMV, поэтому после окончания отрезка времени TD4 происходит очередное включение транзистора 4. На фиг. 5 видно, что при холостом ходе на выходе преобразователя, осциллограмма VDS дополнена тремя периодами резонансных колебаний по сравнению с осциллограммой VDS на фиг. 3, то есть, снижение тока нагрузки до холостого хода сопровождается ограничением увеличения частоты переключения транзистора 4. Диод 19 передает запрещающий включение транзистора 4 импульс VMMV на первый вход компаратора 10 и выполняет функцию развязки между выходом датчика тока 5 и выходом моностабильного мультивибратора 15. При включенном состоянии транзистора 4, сигнал датчика тока 5 воздействует на первый вход компаратора 10, не испытывая помех со стороны выхода моностабильного мультивибратора 15. Осциллограммы ISW+VMMV на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5 показывают сигнал, воздействующий на первый вход компаратора 10, этот сигнал является суммой сигналов от выхода датчика тока ISW и выхода моностабильного мультивибратора VMMV. В отличие от прототипа [7] стр. 599, Fig. 3, где выход моностабильного мультивибратора воздействует на вход S RS-триггера через последовательную цепь, содержащую логический элемент И, D-триггер, элемент задержки распространения сигнала, в предлагаемом устройстве, выход моностабильного мультивибратора 15 воздействует на вход R RS-триггера 9 через диод 19 и компаратор 10. По этой причине, соединение выхода моностабильного мультивибратора 15 с первым входом компаратора 10 через диод 19 включено в отличительную часть формулы полезной модели в качестве второго признака.
На основе анализа осциллограмм на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, можно сделать вывод, что изготовленные на предприятии опытные образцы устройства подтверждают получение технического результата, который состоит в том, что достигнуто упрощение схемы квазирезонансного преобразователя постоянного напряжения за счет изменения связей между элементами схемы, кроме того, перевод преобразователя на квазирезонансный режим работы осуществлен при использовании в составе преобразователя микросхем ШИМ-контроллеров, для которых не предусмотрен квазирезонансный режим работы.
Заявленное техническое решение имеет отличия от наиболее близких аналогов, соответственно, оно удовлетворяет условию патентоспособности полезной модели «новизна».
Кроме того, в процессе патентного поиска не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного технического решения.
Заявленное решение технически осуществимо, промышленно применимо на приборостроительном предприятии, проведенные испытания подтверждают достижения заявленного технического результата - упрощение схемы квазирезонансного преобразователя постоянного напряжения. По сравнению с прототипом, в предлагаемой полезной модели исключены: логический элемент И, D-триггер, элемент задержки распространения сигнала.
В связи с этим заявленное решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] US №4415960, Н02М 3/335, опубл. 15.11.1983. [2] US №4330816, Н02Н 7/122, опубл. 18.05.1982. [3] US №5465201, Н02М 3/335, Н02Н 7/12, опубл. 07.11.1995.
[4] Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 528 с.
[5] http://www.ti.com/ UCC38C43 BiCMOS Current Mode PWM Controller.
[6] http://www.st.com/ UC2842B HIGH PERFORMANCE CURRENT MODE PWM CONTROLLER.
[7] Yuri Panov and Milan Jovanovic, "Adaptive Off - Time Control for Variable - Frequency, Soft - Switched Flyback Converter at Light Loads", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 17, NO. 4, JULY 2002, pp. 596-603.
[8] http://www.st.com/ L6565 QUASI - RESONANT SMPS CONTROLLER.
[9] http://www.infineon.com/ Quasi - Resonant PWM controller ICE2QS03G.