ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР

Широтно-импульсный модулятор.
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении устройств управления импульсных источников электропитания.
Известен широтно-имнульсный модулятор (ШИМ), содержащий генератор линейно изменяющегося напряжения, усилитель сигнала обратной связи, компаратор защиты по току и компаратор широтно-модулированного сигнала 1, 2. ШИМ используется при построении устройств управления импульсных источников питания для выработки сигналов управления силовыми ключами.
К недостаткам указанного технического рещения можно отнести реализапию его на аналоговых функциональных узлах (усилители, компараторы), которые независимо от режима работы непрерывно потребляют ток. В результате весь узел ШИМ потребляет относительно больщой ток (десятки миллиампер). Это снижает общий КПД источника питания, использующего указанный ШИМ, усложняет его, заставляя вводить дополнительный низковольтный канал специально для питания ШИМ. Если, к тому же, модулятор работает на высокой частоте (сотни килогерц), вышеупомянутые функциональные узлы его выполняются на биполярных транзисторах, что ещё больше увеличивает потребление энергии. При уменьщении нагрузки на выходе источника питания или холостом ходе напряжение канала питания такого ШИМ уменьшается до значений, препятствующих нормальной работе источника питания в целом. Перечисленные недостатки сужают функциональные возможности и область применимости рассмотренного технического решения.
источником питания, приведённый в 3. Его функциональная схема показана на фиг. 1. Широтно-импульсный модулятор содержит источник питания, регулирующий элемент, первый вывод которого соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод - с первым выводом ограничительного резистора, источник тока контролируемой цепи, первый и второй выводы которого соединены соответственно с первым и вторым выводами резисторного датчика тока, логическая микросхема на основе комплементарных МОП-транзисторов (далее - КМОП-микросхема), содержащая более двух инверторов, первый вывод питания которой соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод питания - со вторым выводом источника питания, выход первого инвертора соединён с входом второго инвертора, выход которого является выходом широтноимпульсного модулятора, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора, диод, анод которого подключен к входу первого инвертора, а катод - к выходу третьего инвертора, вход которого соединён с первым выводом резисторного датчика тока, второй вывод которого соединён с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого подключен ко второму выводу источника питания.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются источник питания, регулирз ющий элемент, первый вывод которого соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод - со вторым выводом резисторного датчика тока и первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого подключен ко второму выводу источника питания, источник тока контролируемой цепи, первый и второй выводы которого соединены соответственно с первым и вторым выводами резисторного датчика тока, КМОП-микросхема, содержащая более двух инверторов, первый вывод питания которой соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод питания - со вторым выводом источника питания, выход первого инвертора соединён с входом второго
инвертора, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора, диод, анод которого подключен к входу первого инвертора, а катод - к выходу третьего инвертора.
На первом и втором инверторах выполнен задающий генератор прямоугольных импульсов, исходная длительность импульса и паузы которого определяется номиналами частотозадающих резистора и конденсатора. Временная диаграмма напряжения на выходе задающего генератора, выход которого является выходом ШИМ, показана на фиг. 2а. Источник тока контролируемой цепи измеряет мгновенное значение тока в цепи силового ключа. Мгновенное значение напряжения на резисторном датчике тока пропорционально значению указанного тока и показано на фиг. 26. Во время единичного состояния на выходе ШИМ силовой ключ открыт, ток в контролируемой цепи увеличивается, во время нулевого состояния на выходе ШИМ силовой ключ закрыт, и ток в контролируемой цепи отсутствует. Максимальному значению тока в контролируемой цепи 1макс соответствует напряжение на резисторном датчике тока, равное пороговому напряжению инверторов КМОП-микросхемы, которое составляет 0,4.. .0,5 от напряжения питания микросхемы.
Поскольку входное сопротивление КМОИ-инвертора чрезвычайно велико (10...  Ом) мгновенное значение напряжения на входе инвертора ИЗ равно сумме падения напряжения на ограничительном резисторе 3 (постоянное смещение) и резисторном датчике тока 5 (импульсная составляющая):
При изменении сопротивления регулирующего элемента 2 во время работы ШИМ изменяется постоянное смещение Uorp. Максимальное же значение напряжения на входе третьего инвертора ИЗ UBX из равно Unop.
3
UBX из - Uorp + UpaT. Регулирование происходит следующим образом. При включении
сначала ШИМ вырабатывает импульсы максимальной длительности, и напряжение на входе третьего инвертора ИЗ UBX из увеличивается, оставаясь меньше порогового значения Unop (фиг.2в). Сигнал обратной связи отсутствует. Сопротивление регулирующего элемента чрезвычайно велико. Если во время очередного рабочего такта указанное выще значение Unop будет достигнуто, на выходе третьего инвертора, а следом за этим и на выходе ШИМ будет принудительно установлено нулевое состояние. Силовой ключ закроется, что и защитит его от перегрузок по току. Когда регулируемый параметр ШИМ, например, выходное напряжение импульсного источника питания, достигнет своего номинального значения, появится сигнал обратной связи, сопротивление регулирующего элемента уменьшится и протекающий через него ток создаст на ограничительном резисторе постоянное смещение Uorp. Поскольку суммарное значение напряжения на входе третьего инвертора в процессе регулирования не превышает Unop, должна будет уменьшиться амплитуда импульсной составляющей напряжения - падения напряжения на резисторном датчике тока ирдт. А это, в свою очередь, может быть достигнуто только уменьщением длительности импульса на выходе ШИМ. Таким образом, изменяя степень проводимости регулирующего элемента можно в щироких пределах изменять длительность выходного импульса ШИМ.
К недостаткам рассматриваемого технического решения относится увеличение потребляемого от источника питания тока при уменьшении длительности выходного импульса ШИМ. Эта особенность работы рассматриваемого ШИМ объясняется схемой выходного каскада всех элементов КМОП-микросхем - комплементарной парой полевых транзисторов (р- и п-канальный) 4. Когда входное напряжение третьего инвертора ИЗ приближается к пороговому значению, п-канальный транзистор выходного каскада переходит в активный режим. Р-канальный транзистор остаётся открытым и на выходе третьего инвертора сохраняется состояние
4
логической единицы. При этом через них протекает «сквозной ток, бесполезно расходующий энергию источника питания и греющий микросхему.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение потребляемого от источника питания тока и расширение функциональных возможностей ШИМ.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается широтно-импульсный модулятор, содержащий источник питания, регулирующий элемент, первый вывод которого соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод - со вторым выводом резисторного датчика тока и первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого подключен ко второму выводу источника питания, источник тока контролируемой цепи, первый и второй выводы которого соединены соответственно с первым и вторым выводами резисторного датчика тока, КМОП-микросхема, содержащая более двух инверторов, первый вывод питания которой соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод питания - со вторым выводом источника питания, выход первого инвертора соединён с входом второго инвертора, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора, диод, анод которого подключен к входу первого инвертора, а катод - к выходу третьего инвертора, причём в него введены вторые резистор и диод, катод которого подключен к выходу широтноимпульсного модулятора, а анод соединён с входом третьего инвертора и через второй резистор - с первым выводом резисторного датчика тока.
Введение в устройства дополнительных элементов и новых неочевидных связей позволили устранить увеличение потребляемого ШИМ тока при уменьшении длительности выходного импульса, что, в свою очередь, расширяет его функциональные возможности.
Заявитель не обнаружил техничееких решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а, следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования и не требует регулировки, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.
На фиг. 3 приведена функциональная схема предлагаемого ШИМ.
Предлагаемый широтно-импульсный модулятор содержит источник питания 1, регулирующий элемент 2, ограничительный резистор 3, источник тока контролируемой цепи 4, резисторный датчик тока 5, частотозадающие конденсатор 6 и резистор 7, диод 8 и КМОП-микросхему 9, содержащую более двух инверторов И1 - Ип, вторые резистор 10 и диод 11.
В предлагаемом ШИМ первый вывод питания микросхемы 9 соединён с первыми выводами регулирующего элемента 2 и источника питания 1, второй вывод питания микросхемы 9 соединён со вторыми выводами ограничительного резистора 3 и источника питания 1. Второй вывод регулирующего элемента 2 соединён с первым выводом ограничительного резистора 3 и вторыми выводами источника тока контролируемой цепи 4 и резисторного датчика тока 5, первые выводы которых подключены к входу третьего инвертора ИЗ и аноду второго диода 11 через второй резистор 10. Катод второго диода 11 подключен к выходу второго инвертора И2. Выход третьего инвертора ИЗ соединён с катодом диода 8, анод которого соединён с входом первого инвертора И1, выход которого подключен к входу второго инвертора И2, выход которого является выходом ШИМ. Частотозадающий конденсатор 6 подключен между входом первого инвертора И1 и выходом
второго инвертора И2. Частотозадающий резистор 7 подключен между входом и выходом первого инвертора И1.
В качестве регулирующего элемента 2, как и в прототипе, может быть применён какой-либо элемент, изменяющий своё сопротивление, например, фототранзистор или фотодиод оптрона, магнитодиод и т. д. Источником тока контролируемой цепи 4 может служить, например, трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в защищаемую силовую цепь. Незадействованные в работе схемы ШИМ инверторы микросхемы могут быть подключены параллельно второму инвертору для зпмощнения выхода ШИМ (на фиг. 3 не показано).
Работа предлагаемого ШИМ при отсутствии сигнала обратной связи идёт также как и у прототипа (фиг. 4). Ири включении ШИМ сигнал обратной связи отсутствует, регулирующий элемент 2 закрыт, напряжение на ограничительном резисторе 3 практически равно 0. Иа выходе ШИМ вырабатываются прямоугольные импульсы максимальной длительности, как и у прототипа (фиг. 4а). Временная диаграмма тока контролируемой цепи (или напряжения на резисторном датчике тока 5) показана на фиг.4б. Появление и увеличение сигнала обратной связи влечёт за собой увеличение постоянного смещения Uorp до значений, близких к Unop (фиг 4в), и соответствующему уменьшению длительности выходного импульса ШИМ. Этот процесс, также как и у прототипа, сопровождается увеличением потребляемого от источника питания тока. Однако, в отличие от прототипа, в предлагаемом ШИМ во время нулевого состояния на его выходе на вход третьего инвертора ИЗ через второй диод 11 подаётся напряжение логического нуля, сдвинутое на величину падения напряжения на открытом диоде 11 UOTKP D- Это обстоятельство полностью исключает «сквозной ток третьего инвертора ИЗ во время нулевого состояния на выходе ШИМ, что уменьшает общее потребление тока устройством. Во время единичного состояния на выходе ШИМ второй диод 11 закрывается и не влияет на работу последнего. Второй резистор 10 ограничивает максимальное значение тока
2  2  через регулирующий элемент 2. Его номинал на работу ШИМ практически не
влияет, т. к. инвертор КМОП-микросхемы имеет чрезвычайно высокое входное сопротивление 4. Остальные параметры предлагаемого ШИМ по сравнению с прототипом остаются без изменения.
В изготовленном образце ШИМ потребляемый от источника питания ток при минимальной длительности выходного импульса (около 0,5 микросекунд) был вдвое меньше, чем у прототипа. Это обстоятельство позволяет расширить область применения предлагаемого ШИМ в сторону микромогцных импульсных преобразователей, что расширяет его функциональные возможности.
Источники, используемые при написании заявки.
1.Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М. ДОДЭКА, 1997 г., 224 с. - ISSN-587835-0010-6. с. 38.
2.Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М. ДОДЭКА, 1997 г., 224 с. - ISSN-587835-0010-6. с. 87.
3.Свидетельство JV221097 на полезную модель.
4.Зельдин Е. А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986.- стр. 65.
z
8