Широтно-импульсный модулятор

Широтно-импульсный модулятор.
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении устройств управления импульсных источников электропитания.
Известен широтно-импульсный 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 решения можно отнести реализацию его на аналоговых функциональных узлах (усилители, компараторы), которые независимо от режима работы непрерывно потребляют ток. В результате весь узел ШИМ потребляет относительно большой ток (десятки миллиампер). Это снижает общий ЮТД 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 уменьшении нагрузки на выходе источника питания или холостом ходе напряжение канала питания такого ШОИМ уменьшается до значений, препятствующих нормальной работе источника питания в целом. Перечисленные недостатки сужают функциональные возможности и область применимости рассмотренного технического решения.
МКИ7: G 05 F 1/56 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 - 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, логическая микросхема на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП-микросхема), содержащая не менее пяти 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, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора, времязадающий конденсатор, первый вывод которого подключен к выходу второго инвертора, а второй вывод через времязадающий резистор - ко второму выводу источника питания, первый диод, анод которого подключен ко второму выводу времязадающего конденсатора, а катод - к выходу третьего инвертора, вход которого соединён с первым выводом резисторного датчика тока, вход четвёртого инвертора подключен к аноду первого диода, а его выход - к входу пятого инвертора, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются 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
2 второй выводы которого соединены соответственно с первым и вторым
выводами резисторного датчика тока, логическая микросхема на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП-микросхема), содержащая не менее пяти 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, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора, времязадающий конденсатор, первый вывод которого подключен к выходу второго инвертора, а второй вывод - через времязадающий резистор - ко второму выводу источника питания, первый диод, анод которого подключен ко второму выводу времязадающего конденсатора, а катод - к выходу третьего инвертора, вход четвёртого инвертора подключен к аноду первого диода, а его выход - к входу пятого инвертора, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора.
На первом и втором инверторах выполнен задающий генератор прямоугольных импульсов, длительность импульса и паузы которого определяется номиналами частотозадающих резистора и конденсатора. Временная диаграмма напряжения на входе первого инвертора И1 показана на фиг. 2а, а на выходе второго инвертора И2, который является выходом задающего генератора - на фиг. 26. Через времязадающий конденсатор сигнал с выхода задающего генератора поступает на вход четвёртого инвертора И4, а снимается с выхода пятого инвертора И5, который является выходом широтно-импульсного модулятора. Постоянная времени заряда времязадающего конденсатора выбирается в несколько раз больше периода задающего генератора, таким образом, чтобы максимальная длительность импульсов на выходах задающего генератора и широтно-импульсного генератора совпадала. Источник тока контролируемой цепи измеряет мгновенное значение тока в цепи силового ключа. Мгновенное значение
1(,
3 напряжения на резисторном датчике тока пропорционально значению
указанного тока и показано на фиг. 2г. 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 Тмакс соответствует напряжение на резисторном датчике тока, равное пороговому напряжению инверторов КМОПмикросхемы, которое составляет 0,4... 0,5 от напряжения питания микросхемы.
Поскольку входное сопротивление КМОП-инвертора чрезвычайно велико (10... Ом), мгновенное значение напряжения на входе инвертора ИЗ во время импульса равно сумме падения напряжения на ограничительном резисторе 3 (постоянное смещение) и резисторном датчике тока 5 (импульсная составляющая):UBX из  Uorp + Up rПри изменении сопротивления регулирующего элемента 2 во время работы ШИМ изменяется постоянное смещение Uorp. Максимальное же значение напряжения на входе третьего инвертора ИЗ UBX из во время импульса равно Unop.
При включении сначала ШР1М вырабатывает импульсы максимальной длительности, равные по длительности ширине выходного импульса задающего генератора (инвертор И2), а напряжение на входе третьего инвертора ИЗ UBX из увеличивается, оставаясь меньше порогового значения Unop (фиг.2д). Сигнал обратной связи отсутствует. Сопротивление регулирующего элемента чрезвычайно велико. Если во время очередного рабочего такта указанное выше 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 ИЗ 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 уменьшением длительности импульса на выходе ЛШМ. Таким образом, изменяя степень проводимости регулирующего элемента можно в широких пределах изменять длительность выходного импульса ШИМ.
К недостаткам рассматриваемого технического решения относится увеличенное потребление тока от источника питания. 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 первого инвертора И1 приближается к пороговому значению, п-канальный транзистор выходного каскада переходит в активный режим. Р-канальный транзистор некоторое время ещё остаётся открытым. При этом через них протекает «сквозной ток, бесполезно расходующий энергию источника питания и нагревающий микросхему. Такой эффект возникает каждый раз, когда напряжение на входе инвертора относительно медленно приближается к пороговому значению, что наблюдается дважды в период на входе первого инвертора И1 и один раз в период на входе третьего ИЗ (фиг. 2а, 2д).
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, регулирзтощий 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
5
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, логическая микросхема на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП-микросхема), содержащая не менее пяти 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, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора, времязадающий конденсатор, первый вывод которого подключен к выходу второго инвертора, а второй вывод через времязадающий резистор - ко второму выводу источника питания, первый диод, анод которого подключен ко второму выводу времязадающего конденсатора, а катод - к выходу третьего инвертора, вход четвёртого инвертора подключен к аноду первого диода, а его выход - к входу пятого инвертора, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора, причем в него введены первый резистор и второй диод и на входе каждого инвертора КМОП-микросхемы включён триггер Шмидта, при этом первый резистор включён между первым выводом резисторного датчика тока и входом третьего инвертора, к которому анодом подключен второй диод, катод которого соединён с выходом широтно-импульсного модулятора.
Введение в устройства дополнительных элементов и неочевидных связей позволили уменьшить потребляемый ШИМ ток, что, в свою очередь, расширяет его функциональные возможности.
Заявитель не обнаружил технических 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.
Па фиг. 3 приведена функциональная схема предлагаемого ШИМ.
Предлагаемый широтно-импульсный модулятор содержит источник питания 1, регулируюпщй элемент 2, ограничительный резистор 3, источник тока контролируемой цепи 4, резисторный датчик тока 5, частотозадающие конденсатор 6 и резистор 7, логическую КМОП-микросхему 8, содержашую не менее пяти инверторов И1 - Ип с триггерами Шмидта на входах, первый диод 9, времязадающие резистор 10 и конденсатор 11, первый резистор 12 и второй диод 13.
В предлагаемом ШИМ первый вывод питания КМОП-микросхемы 8 соединён с первыми выводами регулируюш;его элемента 2 и источника питания 1, второй вывод питания КМОП-микросхемы 8 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 13 через первый резистор 12. Катод второго диода 13 подключен к выходу пятого инвертора И5, который является выходом ШИМ. Выход третьего инвертора ИЗ соединён с катодом первого диода 9, анод которого соединён с входом четвёртого инвертора И4 и вторым выводом времязадающего конденсатора И, первый вывод которого подключен к выходу второго инвертора И2. Времязадающий резистор 10 подключен между вторыми выводами времязадающего конденсатора Ни источника питания 1. Выход первого инвертора И1 соединён с входом второго инвертора И2, а выход
7 четвёртого инвертора И4 - с входом пятого инвертора И5. 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 пятому инвертору для умощнения выхода ШИМ (на фиг. 3 не показано).
Работа предлагаемого ШИМ иллюстрируется на фиг. 4. В отличие от прототипа переключение инвертора И1 происходит в моменты времени, когда напряжения на его входе достигает значений срабатывания Ucp и отпускания Uoxn (фиг. 4а). Наличие же триггера Шмидта на входе инвертора И1 устраняет эффект «сквозных токов при относительно медленном изменении входного напряжения, т. к. на выкоде триггера Шмидта (т. е. на входе собственно инвертора) сигнал уже имеет прямоугольную форму с крутыми фронтами. Тот же эффект имеет место и на входе инвертора ИЗ (фиг. 4д).
При включении ШИМ сигнал обратной связи отсутствует, регулирующий элемент 2 закрыт, напряжение на ограничительном резисторе 3 практически равно 0. На выходе ШИМ вырабатываются прямоугольные импульсы максимальной длительности, как и у прототипа (фиг. 4в). Временная диаграмма тока контролируемой цепи (или напряжения на резисторном датчике тока 5) показана на фиг.4г. Появление и увеличение сигнала обратной связи влечёт за собой увеличение постоянного смещения до значений, близких к Ucp (фиг 4д), и соответствующему уменьшению длительности выходного импульса ШИМ. Однако здесь, в отличие от
Йв/о26 2
8
прототипа, переключение инвертора ИЗ может произойти только после того, как напряжение на его входе уменьшится минимум до значения UOTH- С этой целью в схему введена цепь «первый резистор 12 - второй диод 13. После установки на выходе ШИМ нулевого состояния открывается второй диод 13 и принудительно фиксирует напряжение на входе третьего инвертора ИЗ на уровне UDZ  Uoxn (фиг. 4д). Первый резистор 12 при этом ограничивает ток через второй диод 13. При установлении на выходе ИШМ единичного состояния второй диод 13 запирается и не влияет на процесс формирования импульса. Поскольку входное сопротивление инвертора чрезвычайно велико, номинал первого резистора 13 практически не влияет на работу ШИМ. Остальные параметры предлагаемого ШИМ по сравнению с прототипом остаются без изменения.
В изготовленном образце ШОИМ потребляемый от источника питания ток при минимальной длительности выходного импульса (около 0,5 микросекунд) был в восемь раз меньше, чем у прототипа. Это обстоятельство позволяет расширить область применения предлагаемого ШР1М в сторону микромощных 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 на полезную модель JNf223006.
4.Зельдин Е. А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986.- стр. 65.