СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам стабилизации напряжения.
Уровень техники
Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (патент RU №2314626, МПК: H02M 3/335) содержащий источник постоянного напряжения, параметрический стабилизатор напряжения, триггер Шмитта, пять резисторов, стабилитрон, два конденсатора, ключ, импульсный трансформатор, характеризуемый наличием n первых вторичных обмоток, а также второй вторичную обмоткой, n выпрямителей и фильтров, два диода.
Недостатком данного устройства является низкая температурная стабильность выходного напряжения обусловленная несогласованностью модулей величин температурных коэффициентов напряжения (ТКН) стабилитрона и диода включенных в цепь второй вторичной обмотки импульсного трансформатора.
Несогласованность модулей ТКН стабилитрона и диода обусловлены различной зависимостью их ТКН. В частности, ТКН стабилитрона является функцией двух переменных - температуры и тока (см. П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники», М.: Мир, 1998 г., с. 351), а ТКН диода является функцией одной переменной - температуры, а значит задача температурной стабильности выходного напряжения известного стабилизированного преобразователя постоянного напряжения, при использовании разнотипных указанных элементов (различная степень легирования p-n-переходов, различная технология изготовления p-n-переходов), в полной мере, решена быть не может.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (патент RU №2235353, МПК: G05F 1/46).
Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержит источник постоянного напряжения, подключенный к параметрическому стабилизатору напряжения, выход которого подключен к выводу питания триггера Шмитта, инверсный выход которого через последовательно соединенные первые резистор и конденсатор подключен к другому выводу источника постоянного напряжения и непосредственно соединен с входом управления ключа, вывод которого соединен с первым выводом источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, по крайней мере, одну вторичную обмотку импульсного трансформатора, которая через последовательно соединенные, соответствующие выпрямитель и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, первый диод, интегрирующую RC-цепь, второй диод, второй и третий резисторы, по крайней мере, один стабилитрон. Дополнительная вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена к аноду первого диода, катод которого подключен к фильтрующему конденсатору и через последовательно соединенные второй резистор и, по крайней мере, один стабилитрон к входу триггера Шмитта и катоду второго диода, анод которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта, вход которого через третий резистор подключен к точке соединения первых резистора и конденсатора.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности обусловленные:
низкой температурной стабильностью выходного напряжения (узким диапазоном рабочих температур) в случае широкого диапазона выходных напряжений;
узким диапазоном выходных напряжений при высокой температурной стабильности (широком диапазоне рабочих температур).
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели сводится к расширению функциональных возможностей обусловленных обеспечением высокой температурной стабильности выходного напряжения (широкого диапазона рабочих температур) при одновременном расширении диапазона выходных напряжений.
Технический результат достигается тем, что в стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержащий источник постоянного напряжения, подключенный к параметрическому стабилизатору напряжения, выход которого подключен к выводу питания триггера Шмитта, инверсный выход которого через последовательно соединенные первые резистор и конденсатор подключен к другому выводу источника постоянного напряжения и непосредственно соединен с входом управления ключа, вывод которого соединен с первым выводом источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, по крайней мере, одну вторичную обмотку импульсного трансформатора, которая через последовательно соединенные, соответствующие выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, дополнительную вторичную обмотку импульсного трансформатора подключенную к аноду первого диода, катод которого подключен к фильтрующему конденсатору и через второй резистор к катоду, по крайней мере, одного стабилитрона, второй диод, анод которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта, вход которого, непосредственно соединен с катодом второго диода, и через третий резистор подключен к точке соединения первых резистора и конденсатора, введен, по крайней мере, второй стабилитрон однотипный первому, причем введенный стабилитрон включен встречно первому стабилитрону, анодом к аноду первого стабилитрона, а катодом к точке соединения катода второго диода, входа триггера Шмитта и третьего резистора.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения.
На фиг. 2 представлены временные диаграммы работы стабилизированного преобразователя постоянного напряжения.
Осуществление полезной модели
Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (фиг. 1) содержит источник 1 постоянного напряжения, параметрический стабилизатор 2 напряжения, триггер Шмитта 3, первый, резисторы 4, 15 и 16, конденсаторы 5 и 19, ключ 6, импульсный трансформатор 7, вторичные обмотки 8.1, 8.2 и 18 импульсного трансформатора, выпрямители 9.1 и 9.2, фильтры 10.1 и 10.2, нагрузки 11.1 и 11.2, диоды 12 и 14, интегрирующая КС-цепь 13, пары однотипных стабилитронов 17.1, 21.1 и 17.2, и 21.2, точку 20 соединения резисторов 4, 16 и конденсатора 5, причем: между первым и вторым выводами источника 1 постоянного напряжения включен параметрический стабилизатор 2 напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта 3, второй вывод питания которого подключен к второму выводу источника 1 постоянного напряжения непосредственно, а инверсный выход - через последовательно соединенные резистор 4 и конденсатор 5 и непосредственно соединен с входом управления ключа 6, первый вывод которого соединен с вторым выводом источника 1 постоянного напряжения, второй вывод - с первым выводом источника 1 постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора 7; вторичные обмотки 8.1 и 8.2 импульсного трансформатора 7, каждая через последовательно соединенные выпрямитель 9.1, 9.2, выполненных по мостовой схеме, и фильтр 10.1, 10.2 подключена к соответствующей нагрузке 11.1, 11.2; первый вывод дополнительной вторичной обмотки 18 импульсного трансформатора 7 подключен к второму выводу источника 1 постоянного напряжения, а второй вывод - к аноду диода 12, катод которого подключен через конденсатор 19 к второму выводу источника 1 постоянного напряжения и через последовательно соединенные резистор 15 и две пары встречно включенных однотипных стабилитронов 17.1, 21.1 и 17.2, 21.2, к входу триггера Шмитта 3 и катоду диода 14, анод которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи 13, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта 3, вход которого через резистор 16 подключен к точке 20 соединения резистора 4 и конденсатора 5.
Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.
На фиг. 2 представлены временные диаграммы, где:
11
U - стабилизированное напряжение на любой из нагрузок 11.1, 11.2 с учетом пудьсаций, для наглядности они увеличены и зависят от параметров фильтра 10.1, 10.2;
20
U - напряжение автогенерации в суммирующей токи заряда конденсатора 5 точке 20 с учетом гистерезиса (0,9 В) триггера Шмитта 3, порог включения которого равен 3,2 В, порог выключения равен 2,3 В при питании его от параметрического стабилизатора 2 напряжением 5 В, величины которых неизменны при любом изменении напряжения источника 1 постоянного тока;
3
U - напряжение на выходе триггера Шмитта 3 и управляющем входе ключа 6, поступающее с управляемого автогенератора, включающего триггер Шмитта 3 и цепи обратной связи;
6
I - ток в цепи первичной обмотки импульсного трансформатора 7;
1
U - напряжение источника 1 постоянного напряжения;
6
U - напряжение на выходе ключа 6, подключенного к первичной обмотке импульсного трансформатора 7.
Наращиванием числа стабилитронов 17.1, 17.2 в цепи дополнительной обмотки 18 подбирается необходимое напряжение стабилизации и обеспечивается оптимальная величина коэффициента полезного действия.
1
3
6
3
6
6
1
Обратная связь по напряжению обеспечивается за счет дополнительной обмотки 18 импульсного трансформатора 7. Напряжение источника 1 постоянного тока приложено к первичной обмотке, другой выход которой подключен к выходу ключа 6. При среднем значении напряжения источника 1, равном U=20 В, коммутация ключа 6 происходит с частотой 25 кГц, скважность импульсов U, I близка к двойке, что задается генератором на инвертирующем триггере Шмитта 3 с тремя цепями обратной связи. Это постоянно работающая, основная цепь: «резистор 4 - конденсатор 5». Это дополнительная цепь: «интегрирующая RC-цепь 13 - диод 14 - резистор 16», особенно эффективно вступающая в процесс стабилизации при понижении напряжения источника 1 ниже 20 В, вплоть до 13 В (скважность импульсов U, U, I при этом уменьшается, см. фиг. 2). Эта дополнительная цепь первичной обратной связи: «обмотка 18 - диод 12 -конденсатор 19 - резистор 15 - стабилитроны 17.1, 20.1, 17.2, 20.2 - резистор 16», работающая во всем диапазоне напряжений U от 13 до 30 В и выше. Напряжение с вторичных обмоток 8.1, 8.2 трансформатора 7 выпрямляются мостовыми выпрямителями 9.1, 9.2, фильтруются фильтрами 10.1, 10.2 и поступают в нагрузку 11.1, 11.2. Напряжение обратной связи с обмотки 18 фильтруется конденсатором 19. Регулирование происходит таким образом, что на конденсаторе 19 поддерживается напряжение
19
ст.1
ст.2
U=2,55B+U+U,
где 2,55В - среднее напряжение в точке 20 (усредненное значение пороговых напряжений триггера Шмитта 3);
ст.1
ст.2
_
U+U напряжение двух последовательно включенных стабилитронов 17.1, 17.2.
1
19
11
1
3
6
6
19
11
1
1
1
Когда выпрямленное напряжение первичной обратной связи на конденсаторе 19 достигает рабочего уровня в суммирующую точку 20 начинает протекать ток управления. Рост усредненного значения тока управления происходит при увеличении напряжения (U=30 В, фиг. 2) источника 1 и (или) уменьшении нагрузки, что приводит к увеличению скважности импульсов, управляющих работой ключа 6. Этот процесс продолжается до достижения выходным напряжением (U, U) точки стабилизации. Уровень выходного напряжения определяется соотношением витков обмотки 18 обратной связи и витков вторичных обмоток 8.1, 8.2. Противоположное изменение усредненного значения тока управления в точке 20 происходит при уменьшении напряжения (U=13 В, фиг. 2) источника 1 и (или) увеличении нагрузки, что приводит к уменьшению скважности импульсов (U, U, I), управляющих работой ключа 6. Этот процесс продолжается до достижения выходным напряжением (U, U) точки стабилизации. При более точном описании следует учесть также и изменение частоты коммутации силового ключа 6, но при этом пульсация выходных напряжений на нагрузках 11.1, 11.2 - неизменна по амплитуде, это - достоинство. При напряжении U=13 В - частота коммутации равна 50 кГц, при напряжении U=30 В - частота коммутации равна 10 кГц, при напряжении U=20 В - частота коммутации равна 25 кГц.
Поскольку все обмотки 8.1, 8.2 в том числе и регулировочная дополнительная вторичная обмотка 18 принадлежат одному трансформатору 7, то напряжения на них изменяются синхронно, а скважность и частота импульсов изменяются в противоположную, компенсирующую сторону, чем и обеспечена стабилизация всех напряжений на нагрузках 11.1, 11.2 от одной обмотки 18 в цепи первичной трансформаторной обратной связи. Она включена на триггер Шмита 3, имеющий свою основную и дополнительную (стабилизирующую) цепь обратной связи. Резисторы 15 и 16 помимо участия в цепях обратных связей играют еще и роль ограничительных для токов во входную цепь микросхемы триггера Шмитта 3. При такой организации цепей обратной связи пульсации на нагрузке 11.1, 11.2 минимальны, а коэффициент стабилизации по току и напряжению - максимален в широком диапазоне рабочих выходных токов нагрузок 11.1, 11.2 и напряжений источника 1.
В случае прототипа, приемлемая температурная стабильность выходного напряжения обеспечивается при использовании в качестве стабилитронов 17.1, 17.2, стабилитронов с напряжением стабилизации близким к 6 В. Так как лишь в этом случае стабилитроны имеют температурный коэффициент напряжения стабилизации стремящийся к нулю (см. П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники», М.: Мир, 1998 г., с.350). Соответственно, при других напряжениях стабилизации, значительный температурный коэффициент напряжения стабилизации приводит к ограничению диапазона рабочих температур устройства.
Использование в качестве стабилитронов 17.1, 17.2, лавинных стабилитронов, то есть стабилитронов с напряжением стабилизации более 6 В, характеризуемых положительным коэффициентом напряжения стабилизации (см. П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники», М.: Мир, 1998 г., с. 351), и стабилитронов 21.1, 21.2, однотипных стабилитронам 17.1, 17.2, но включенных им встречно (в прямом направлении), а значит характеризуемых отрицательным коэффициентом напряжения стабилизации (см. Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. «Электропитание устройств связи», М.: Связь, 1975 г., с. 184), обеспечивает взаимную компенсацию температурных коэффициентов напряжения стабилизации стабилитронов 17.1, 21.1, 17.2, 21.2, а значит и расширение диапазона рабочих температур устройства, что существенно расширяет функциональные возможности предлагаемого стабилизированного преобразователя постоянного напряжения