ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области преобразования электрической энергии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является вторичный источник питания (см. Патент РФ 2431178 кл. G05F 1/56 от 29.07.2010 г.; опубликован в Бюллетене изобретений №28 от 10.10.2011 г.), содержащий источник опорного напряжения и последовательно соединенные формирователь сигнала ошибки, устройство сравнения, генератор прямоугольных импульсов и коммутирующий элемент, параллельно которому подключена входная цепь датчика тока, первый вывод коммутирующего элемента соединен через первичную обмотку трансформатора с первым выводом источника питания, второй вывод которого соединен со вторым выводом коммутирующего элемента, первая вторичная обмотка трансформатора подключена ко второму и третьему выводу формирователя сигнала ошибки, вторая вторичная обмотка трансформатора подключена к нагрузке.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является наличие помех на выходе источника опорного напряжения, вызванных прохождением через него сигнала с датчика тока, подключенного к его входу, что влияет на стабильность выходного напряжения вторичного источника питания в рабочем диапазоне напряжений питания.
Решаемой задачей является создание вторичного источника питания с повышенной стабильностью выходного напряжения.
Достигаемым техническим результатом является уменьшение влияния изменения напряжения питания на стабильность выходного напряжения вторичного источника питания.
Для достижения технического результата во вторичном источнике питания, содержащем источник опорного напряжения и последовательно соединенные формирователь сигнала ошибки, устройство сравнения, генератор прямоугольных импульсов и коммутирующий элемент, параллельно которому подключена входная цепь датчика тока, первый вывод коммутирующего элемента соединен через первичную обмотку трансформатора с первым выводом источника питания, второй вывод которого соединен со вторым выводом коммутирующего элемента, первая вторичная обмотка трансформатора подключена ко второму и третьему выводу формирователя сигнала ошибки, вторая вторичная обмотка трансформатора подключена к нагрузке, новым является то, что выходная цепь датчика тока соединена через последовательно соединенные конденсатор и резистор с выходом источника опорного напряжения, а четвертый вывод формирователя сигнала ошибки подключен к общей точке соединения конденсатора и резистора.
На фиг. приведен вариант электрической принципиальной схемы, согласно предлагаемой полезной модели. Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов 1, выход которого подключен к входу коммутирующего элемента 2, первый вывод которого соединен через первичную обмотку 10 трансформатора 9 с первым выводом источника питания 13, второй вывод которого соединен со вторым выводом коммутирующего элемента 2. Параллельно коммутирующему элементу 2 подключен датчик тока 3, выход которого через конденсатор 4 подключен к четвертому выводу формирователя сигнала ошибки 8, который через резистор 7 соединен с выходом источника опорного напряжения 5, первый вывод формирователя сигнала ошибки 8 соединен со входом устройства сравнения 6, выход которого соединен со входом управления генератора 1. Первая вторичная обмотка 11 трансформатора 9 подключена ко второму и третьему выводам формирователя сигнала ошибки 8, вторая вторичная обмотка 12 трансформатора 9 подключена к нагрузке 14. Управление генератором 1 согласно варианту фиг. осуществляется перепадом напряжения на его входе управления с низкого уровня на высокий. В случае использования генератора, у которого управление происходит перепадом входного напряжения с высокого уровня на низкий, необходимо использовать нечетное число n последовательно включенных инверторов в устройстве сравнения 6. Напряжение питания на генератор 1, устройство сравнения 6 и источник опорного напряжения 5 подается с выходов первичного источника питания 13.
см
д30
см
д30
Генератор 1 выполнен на инверторах, состоящих из комплементарных пар КМОП транзисторов; резисторы 15, 17 и конденсатор 16 являются времязадающими элементами (задают длительности «высокого» и «низкого» уровня сигнала на выходе генератора 1), инверторы 21-26 выполняют функцию буферного элемента. Коммутирующий элемент 2 выполнен в виде МОП - транзистора с максимальным током до 300 мА при падении напряжения на открытом ключе не более 0,2 В. Датчик тока 3 выполнен в виде МОП - транзистора 27 с максимальным током до 2,5 мА при падении напряжения на открытом ключе не более 0,2 В и включенного в цепь истока резистора 28. Источник опорного напряжения 5 выполнен в виде инвертора 31, диода 30, соединяющего его вход и выход, конденсатора 32, уменьшающего выходной импеданс, и токозадающего резистора 29. Значение выходного напряжения источника опорного напряжения 5 смещено относительно напряжения переключения его инвертора 31 на величину U равную значению прямого напряжения диода 30-U, т.е. U=U. Пороговое устройство 6 выполнено в виде двух последовательно соединенных инверторов 34, 35 и диода 33, используемого в качестве развязки между выходом порогового устройства 6 и входом генератора 1. Все инверторы, используемые в источнике опорного напряжения 5 и в пороговом устройстве 6 (31, 34, 35 см. фиг.) выполнены на одном кристалле в виде последовательно соединенных «p» и «n» канальных идентичных КМОП -транзисторов с объединенными попарно затворами и стоками, и вследствие этого имеют одинаковые значения напряжения переключения.
П
1
max
Вторичный источник питания работает следующим образом. В исходном положении, при отключенном первичном источнике питания 13, в последовательной электрической цепи: первичной обмотке 10 трансформатора 9 и коммутирующем элементе 2 электрический ток равен нулю; конденсаторы 16, 38 разряжены; генератор 1 не работает (на его выходе отсутствуют электрические сигналы). При подключении первичного источника питания 13 его напряжение к выводам питания элементов «НЕ», через первичную обмотку трансформатора 10 к стокам транзисторов ключевого элемента 2 и датчика тока 27; исток транзистора ключевого элемента 2 соединен с «минусовым» выводом источника питания напрямую, а исток транзистора датчика тока 27 - через резистор 28. Генератор 1 начинает работать, выдавая на вход коммутирующего элемента 2 и датчика тока 3 последовательность импульсов, приводящих к периодическому чередованию двух их состояний: открытого и закрытого. Таким образом, сигнал на выходе генератора 1 имеет две фазы, определяющие два состояния коммутирующего элемента и датчика тока. В фазе открытого состояния коммутирующего элемента 2 и датчика тока 3, длительностью Т, к первичной обмотке трансформатора 10 через коммутирующий элемент 2 и датчик тока 3 приложено выходное напряжение U, первичного источника питания 13. Это приводит к появлению тока в последовательной цепи: первичная обмотка трансформатора 10, коммутирующий элемент 2 и подключенный параллельно ему датчик тока 3, первичный источник питания 13. Поскольку значение тока, протекающего через транзистор 27 датчика тока в 100 раз меньше значения тока, протекающего через коммутирующий элемент 2, то его величиной можно пренебречь при расчете процесса накопления энергии в трансформаторе. Ток в первичной обмотке трансформатора 10 с момента перехода коммутирующего элемента 2 в открытое состояние нарастает практически по линейному закону, достигая к концу фазы открытого состояния максимального значения I, определяемого выражением:
1
где U - значение напряжения первичного источника питания;
1
L - индуктивность первичной обмотки трансформатора;
П
Т - длительность фазы открытого состояния коммутирующего
элемента («прямой ход»).
1
П
Выражение (1) справедливо при достаточно малых значениях активного сопротивления первичной обмотки трансформатора и коммутирующего элемента по сравнению со значением величин, определяемых отношением индуктивности L к длительности Т фазы открытого состояния коммутирующего элемента. Энергия, накопленная в индуктивности первичной обмотки трансформатора, пропорциональна квадрату значения тока и определяется известным выражением:
После импульсного перевода коммутирующего элемента в закрытое состояние в течение То (обратный ход), прерывается цепь прохождения тока в первичной обмотке трансформатора 10, накопленная в ней энергия передается через вторичную обмотку 12 в нагрузку 14, и частично через обмотку обратной связи 11 в элементы: диод 40, стабилитрон 39, резисторы 36, 37 и конденсатор 38, составляющие формирователь сигнала ошибки 8. В отсутствие сигналов управления на входе генератора 1, энергия, накапливаемая в первичной обмотке трансформатора, должна быть больше номинальной. Процесс накопления и передачи энергии в нагрузку описан в литературе по импульсным источникам питания, например [1] Б.Ю.Семенов. Силовая электроника СОЛОН - Р. Москва, 2001 г.стр.216-227. Связь между параметрами нагрузки и вторичного источника питания определяется выражением:
H
где U - напряжение на нагрузке;
H
R - значение сопротивления нагрузки; Т
- коэффициент заполнения;
1
U - значение напряжения первичного источника питания;
f - частота преобразования;
П
Т - длительность фазы «прямого хода»;
О
Т - длительность фазы «обратного хода»;
k - коэффициент трансформации (отношение числа витков вторичной обмотки 12 трансформатора к числу витков его первичной обмотки 10).
П
O
П
0
Процесс передачи накопленной энергии индуктивностью первичной обмотки 10 трансформатора в фазе Т в нагрузку 14 проходит с участием заряда конденсатора нагрузки 42 в фазе Т и его разряда в течение всего периода Т=Т+Т следования сигналов на входе коммутирующего элемента 2. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:
1max
где I - значение тока в первичной обмотке к моменту окончания фазы проводящего состояния коммутирующего элемента 2;
С - значение емкости конденсатора фильтра нагрузки 42;
i-1
i
U, U - значение напряжения на конденсаторе нагрузки в моменты времени, соответствующие (i-1)T и iT;
зар
разр
Δq, Δq - изменение заряда конденсатора нагрузки 42, обусловленные передачей энергии от первичной обмотки и током разряда на сопротивлении нагрузки 43 соответственно;
- среднее значение напряжения на сопротивлении нагрузки 43.
В переходном режиме работы вторичного источника питания происходит постепенный рост напряжения на конденсаторе нагрузки 42 за счет порций энергии, передаваемых с каждым периодом выходных сигналов генератора 1 из первичной обмотки 10 трансформатора. Из анализа выражений (4), (5), (6) следует:
зар
- при постоянстве энергии W, накапливаемой в первичной обмотке, приращение заряда Δq и, соответственно, напряжения конденсатора нагрузки уменьшается по мере роста среднего значения напряжения на нем;
разр
- разряд конденсатора нагрузки Δq за счет тока, отдаваемого в сопротивление нагрузки за период Т растет по мере роста среднего напряжения на конденсаторе нагрузки.
зар
разр
В переходном режиме Δq >Δq.
Установившийся режим характеризуется прекращением роста среднего значения на конденсаторе нагрузки 42. При этом наступает равенство изменений зарядов:
зар
разр
Δq =Δq или
i
i-1
При замене в выражении (4) сомножителя C(U-U) на правую часть равенства (7) получим:
Равенство (8) также вытекает из принципа сохранения энергии.
ср
В установившемся режиме значение среднего напряжения на нагрузке U может быть определено из формулы (8) с учетом формулы (1):
1
П
H
1
П
П
О
О
П
О
П
Из выражения (9) видно, что среднее напряжение на нагрузке определяется значениями: напряжения первичного источника питания U, длительности фазы открытого состояния коммутирующего элемента Т, сопротивления нагрузки R, индуктивности первичной обмотки трансформатора L и периода следования сигналов Т на управляющем входе коммутирующего элемента. При постоянстве значений Т и Т (отсутствуют сигналы управления на входе генератора 1), напряжение на нагрузке будет изменяться при изменении напряжения первичного источника питания и сопротивления нагрузки. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется изменением длительности Т - широтно импульсная модуляция (ШИМ), посредством подачи на управляющий вход генератора 1 импульсных сигналов с выхода устройства сравнения 6. По фронту импульсных сигналов на входе генератора 1 прерывается формирование фазы сигнала, определяющего открытое состояние коммутирующего элемента, устанавливается уровень сигнала, соответствующий закрытому состоянию коммутирующего элемента (фаза Т). Длительность фазы Т определяется времязадающими элементами генератора 1 с учетом Т. После окончания фазы Т начинается новый цикл формирования сигнала фазы Т, накопления энергии в индуктивности первичной обмотки трансформатора и передачи ее в нагрузку.
Основное отличие в работе вторичного источника питания от прототипа заключается в порядке формирования сигнала управления генератором прямоугольных импульсов 1 (сигнал на выходе устройства сравнения 6).
Импульсный сигнал на выходе устройства сравнения 6 формируется в момент, когда на его входе (входе инвертора 35) переменное напряжение достигает значения порога переключения инвертора 35.
вх35
Напряжение на входе инвертора 35 U определяется суммой напряжений:
где
пор31
U - порог переключения инвертора 31;
д30
и - прямое падение напряжения на диоде 30;
11
О
U - амплитуда напряжения на вторичной обмотке 11 трансформатора 9, в фазе обратного хода Т;
д40
U - прямое падение напряжения на диоде 40;
ст39
U - напряжение стабилизации стабилитрона 39;
36
37
К, R - сопротивление резисторов 36 и 37 соответственно;
11
12
n, n - число витков вторичных обмоток 11 и 12 трансформатора 9;
12
O
U - амплитуда напряжения на вторичной обмотке 12 трансформатора 9, в фазе обратного хода Т;
дт
U - напряжение на выходе датчика тока.
где K - коэффициент, определяемый отношением тока, протекающего через транзистор ключевого элемента 2, к току, протекающему через транзистор 27 датчика тока (задается конструктивными параметрами транзистора 27);
28
R - значение сопротивления резистора 28;
1
i(t) - временная зависимость тока в первичной обмотке 10 трансформатора 9;
1
U - напряжение источника питания;
1
L - индуктивность первичной обмотки 10 трансформатора 9.
1
11
В начальный момент времени: (t=0), i=0, U=0, значение напряжения на входе устройства сравнения 6 (вход инвертора 35) будет равно:
вх35
сс
При значении U, соответствующем выражению (14), напряжение на выходе инвертора 35 будет близко к U (уровень «1»), а на выходе инвертора 34 равно 0 (уровень «0»), при этом устройство сравнения не влияет на длительность фазы прямого хода. Переключение инвертора 35 из состояния «1» в состояние «О» и соответственно появление сигнала на выходе устройства сравнения 6 (выход инвертора 34) произойдет при:
где
сс
U - напряжение питания инверторов;
34
35
34(35)
К, К - коэффициенты усиления инверторов 34, 35 в линейном режиме соответственно (К=12-20).
С учетом соотношений (10), (11), (12), (13), (14), (15), а также примерного равенства значений напряжения переключения инверторов в одном кристалле микросхемы условием формирования выходного сигнала устройства сравнения будет:
~
д30
или с учетом того, что ΔU<<U
В зависимости от выбранных параметров вторичного источника питания:
- диапазона значений выходных напряжений первичного источника питания 13;
1
- индуктивность первичной обмотки 10 трансформатора (L);
O
- периода повторения сигналов на входе коммутирующего элемента 2 и длительности фазы Т;
- коэффициента отношения тока, протекающего через транзистор ключевого элемента 2, к току, протекающему через транзистор 27 датчика тока и значения сопротивления 28;
11
12
- отношения числа витков вторичных обмоток 11 и 12 трансформатора (n, n);
- значения порогового напряжения устройства сравнения 6, возможна реализация трех характерных режимов работы.
П
При  и  (Т - длительность фазы открытого состояния коммутирующего элемента 2 при отсутствии сигнала управления на входе генератора 1) на выходе устройства сравнения 6 отсутствуют сигналы управления; установившееся напряжение на нагрузке определяется выражением (3).
П
При  и  управляющий сигнал на выходе устройства сравнения 6 и соответственно на входе генератора 1 появляется через время Т от момента начала перехода коммутирующего элемента 2 в открытое состояние.
1
П
В этом режиме при всех значениях напряжения первичного источника питания U амплитуда тока в первичной обмотке 10 трансформатора ограничивается на уровне , что обеспечивает постоянство передаваемой энергии в нагрузку и ограничивает ток коммутирующего элемента на безопасном уровне (определяется формулой (1)). Однако для этого случая стабильность напряжения на нагрузке будет невысокая, так-как при постоянстве передаваемых порций энергии в нагрузку период их следования может изменяться в зависимости от значений Т. Более высокая степень стабилизации вторичного напряжения (на нагрузке) достигается для режима при котором:
для всего рабочего диапазона значений напряжений первичного источника питания.
Формирование выходного сигнала устройства сравнения 6 происходит в тот момент, когда выполняется равенство:
12
Отсюда значение напряжения U на нагрузке 14 равно:
ст39
д30
Для случаев, когда U>>U с учетом того, что  выражение (21) можно в первом приближении представить в виде:
11
12
ст39
д30
Обеспечение требуемого значения выходного напряжения вторичного источника питания достигается выбором стабилитрона 39 и отношением числа витков вторичной обмотки обратной связи n к числу витков выходной обмотки n трансформатора, удовлетворяющих условию (22). Из выражения (21) видно, что выходное напряжение вторичного источника питания зависит от стабильности напряжения стабилизации стабилитрона U, напряжения на диоде 30-U при протекании тока, задаваемого резистором 29, в нормальных условиях и при изменении температуры окружающей среды.
Подключение сигнала с датчика тока ко входу источника опорного напряжения, а значит прохождение его через инвертор охваченный отрицательной обратной связью в виде диода в прототипе приводило к появлению выбросов на его фронтах, усилению его шумовой составляющей и наложению на него усиленных шумов от цепей питания вторичного источника. Искажение сигнала датчика тока из-за наложенных шумов приводило к случайной модуляции фазы выходных сигналов устройства сравнения, что вызывало изменение выходного напряжения вторичного источника питания. Подключение сигнала с датчика тока к выходу источника опорного напряжения позволило избежать искажения его формы и появления у него шумовой составляющей, что повысило стабильность выходного напряжения вторичного источника питания в рабочем диапазоне напряжений питания.
ст39
По схеме, согласно фиг., изготовлены и испытаны экспериментальные образцы вторичного источника питания с выходным напряжением 5-6 В (разброс определяется разбросом U), диапазон изменения напряжения первичного источника питания 4,5-7,5 В, при этом уменьшилась нестабильность напряжения на нагрузке.