СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
STABILISED VOLTAGE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.
Известны простые и дешевые автоколебательные преобразователи напряжения, содержащие транзисторный ключ, последовательно соединенный с первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка которого нагружена на выпрямитель и сглаживающий фильтр, а обмотка управления связана с входом транзисторного ключа.
Известные автоколебательные стабилизированные преобразователи напряжения выполняются по однотактной схеме с одним транзисторным ключом. В выходной цепи используется выпрямитель с емкостным сглаживающим фильтром. Процессы в таких преобразователях существенно зависят от величины нагрузки. В частности, при уменьшении нагрузки до нуля частота переключений многократно возрастает. На практике в таких устройствах либо используется довольно мощная подгрузка, что снижает КПД, или возникает режим с прерывистыми пачками импульсов. Последнее увеличивает пульсации выходного напряжения [1].
Наиболее близким к предлагаемому является стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий первый и второй транзисторные ключи, шунтированные антипараллельными диодами и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания, силовой трасформатор, выходные обмотки которого через выпрямитель подключены к сглаживающему фильтру, выход которого соединен с выводами для подключения нагрузки, фильтрующий конденсатор, первый вывод которого соединен с выводом первичного источника питания, а второй - с первым выводом первичной обмотки силового трансформатора, второй вывод первичной обмотки силового трансформатора соединен с общей точкой транзисторных ключей, усилитель сигнала рассогласования, первый вывод которого соединен с выходом сглаживающего фильтра, второй - с источником опорного напряжения, выход усилителя - со входом элемента гальванической развязки, а выход последнего соединен с модулирующим входом второго формирователя, выходы первого и второго формирователей подключены соответственно к управляющим входам транзисторных ключей, задающий трансформатор, первичная обмотка которого через развязывающий конденсатор одним выводом подключена к первичному источнику питания, а другим - к средней точке последовательно соединенных транзисторных ключей, управляющие входы и первый вывод которых зашунтированы соответственно резисторами, первая и вторая вторичные обмотки подключены соответственно ко вторым выводам первого и второго транзисторных ключей и к входам питания первого и второго формирователя [2].
Однако в этом преобразователе из-за введения второго трансформатора, подключенного через развязывающий конденсатор параллельно первичной цепи силового трансформатора, возникают дополнительные потери из-за тока намагничивания задающего трансформатора. Если первичный источник питания высоковольтный, например выпрямитель сети 220 В, то задающий трансформатор должен содержать значительное число витков, что делает технологически сложным обеспечение его миниатюрности и надежности.
Если в таком преобразователе используется выпрямитель с емкостным фильтром, то при изменении тока нагрузки в широком диапазоне значительного изменения скважности генерируемых импульсов не требуется. Если используется двухтактный выпрямитель с LC-фильтром, то при изменении тока нагрузки в широком диапазоне требуется очень большое изменение скважности. Оно еще более возрастает с учетом изменения напряжения первичного источника питания.
В этом случае в известном преобразователе, при условии поддержания постоянной частоты коммутации, приходится использовать подгрузку выхода, что снижает КПД устройства. В таком автоколебательном преобразователе затруднительно формирование минимальной длительности импульса менее 0,5-1,0 мкс. При сохранении постоянной частоты переключений и устойчивой работы на холостом ходе период переключений должен составлять 12-15 мкс. Только в этом случае можно избежать значительной подгрузки. Однако такой период переключений в режиме полной нагрузки приводит к неоправданному возрастанию габаритов трансформатора и сглаживающего фильтра.
Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является упрощение и удешевление преобразователя при расширении диапазона изменения тока нагрузки и повышении КПД. Это достигается тем, что из схемы исключен задающий трансформатор и развязывающий конденсатор, введен детектор напряжения, выводом питания подключенный к выходу вспомогательного выпрямителя, общей точкой - к общей точке первого формирователя, а выходом - к точке соединения выхода времязадающей RC-цепи и входа первого формирователя, в силовой трансформатор введены первая и вторая дополнительные обмотки, которые соответственно подключены ко входам питания первого формирователя, вспомогательного выпрямителя и второго формирователя и их общим точкам, а силовой трансформатор выполнен с минимальной емкостной связью между первичной и вторичной обмотками.
Поставленная цель достигается также тем, что детектор напряжения содержит транзистор, к базе которого подключена средняя точка резистивного делителя напряжения, эмиттер транзистора и общая точка делителя объединены, коллектор через резистор соединен с выходом детектора напряжения, вход которого соединен с выводом делителя напряжения.
Поставленная цель достигается тем, что силовой трансформатор выполнен с секционированной раздельной намоткой первичной и вторичной обмоток.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого преобразователя напряжения; на фиг.2 - эпюры, поясняющие работу схемы; на фиг.3 - вариант выполнения детектора напряжения и входных узлов формирователя.
На фиг. и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - первый транзисторный ключ, 2 - второй транзисторный ключ, 3, 4 - антипараллельные диоды, 5 - первичный источник питания, 6 - силовой трансформатор, 7 - выходная обмотка силового трансформатора, 8 - двухтактный выпрямитель, 9 - сглаживающий LC-фильтр, 10 - нагрузка, 11 - первичная обмотка силового трансформатора, 12 - фильтрующий конденсатор, 13 - первый формирователь, 14 - второй формирователь, 15 и 16 - пусковые резисторы, 17 - усилитель сигнала рассогласования, 18 - источник опорного напряжения, 19 - элемент гальванической развязки, 20 - первая дополнительная обмотка силового трансформатора, 21 - вторая дополнительная обмотка силового трансформатора, 22 - времязадающая RC-цепь, 23 - вспомогательный выпрямитель, 24 - детектор напряжения. Времязадающая RC-цепь 22 реализована на элементах R2, C1, вспомогательный выпрямитель 23 - на элементах VD1, C2, детектор напряжения 24 - на элементах VT3, R4, R5, R6.
Устройство содержит первый 1 и второй 2 транзисторные ключи, шунтированные антипараллельными диодами 3 и 4 и подключенные к разнополярным выводам первичного источника питания 5, силовой трансформатор 6, выходная обмотка которого 7 через двутактный выпрямитель 8 подключена к сглаживающему LC-фильтру 9, к выходу последнего и средней точке выходной обмотки 7 подключена нагрузка 10, первичная обмотка 11 силового трансформатора 6 первым выводом через фильтрующий конденсатор 12 подключена к выводу первичного источника питания 5, а вторым выводом подключена к средней точке последовательно соединенных транзисторных ключей 1 и 2, первый 13 и второй 14 формирователи, выходами соединенные с управляющими входами первого 1 и второго 2 транзисторных ключей, подключенных через пусковые резисторы 15, 16 к выводу первичного источника питания 5, первый формирователь 13, ко входу которого подключена времязадающая RC-цепь 22 и вспомогательный выпрямитель 23, соединенные с выводом первой дополнительной обмотки 20, детектор напряжения 24, вход которого подключен к выходу вспомогательного выпрямителя 23, выход - к точке соединения выхода времязадающей RC- цепи 22 и входа первого формирователя. Детектор напряжения 24 содержит транзистор VT3, к базе которого подключена средняя точка резистивного делителя напряжения R5, R6. Эмиттер транзистора VT3 и общая точка делителя R5,R6 объединены. Коллектор транзистора VT3 через резистор R4 соединен с выходом детектора напряжения 24. Вход детектора 24 соединен с выводом делителя R5, R6.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение первичного источника питания 5 поступает на транзисторные ключи 1 и 2. Благодаря наличию высокоомных пусковых резисторов 15, 16 транзисторные ключи приоткрываются, и ток начинает протекать через фильтрующий конденсатор 12 и первичную обмотку 11 силового трансформатора 6. Это приводит к появлению напряжения на дополнительных обмотках 20, 21, что, в свою очередь, активирует формирователи 13, 14, а последнее приводит к периодическому поочередному отпиранию транзисторных ключей 1 и 2. Формирователи 13, 14 с помощью времязадающих RC-цепей определяют время открытого состояния каждого из транзисторных ключей 1 и 2.
Импульсы напряжения на транзисторном ключе 2 показаны на фиг.2а. Импульсы напряжения, возникающие на первичной обмотке 11 силового трансформатора 6, поступают на его вторичную обмотку 7, далее на двухтактный выпрямитель 8 и сглаживающий LC-фильтр 9. На входе фильтра 9 образуются импульсы, имеющие различную амплитуду и длительность, но равную площадь (фиг.2в). На нагрузке 10 присутствует постоянное напряжение, равное среднему значению за период от вольтсекундной площади импульсов на входе фильтра 9. При этом ток в первичной обмотке протекает постоянно (фиг.2б), а энергия через трансформатор 6 передается на выход практически непрерывно.
Стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью усилителя сигнала рассогласования 17, который передает через элемент гальванической развязки 19 напряжение рассогласования на вход второго формирователя 14. Это напряжение воздействует на процессы во времязадающей RC-цепи 22 формирователя 14 и, следовательно, на длительность включенного состояния транзисторного ключа 1. Построение формирователей 13, 14 позволяет при уменьшении длительности импульса ключа 1 увеличивать длительность ключа 2. При этом длительность периода переключений поддерживается практически постоянной, если напряжение первичного источника питания 5 изменяется на (+10-15)%, и ток нагрузки изменяется в диапазоне (100-5)% от номинального значения.
В этом преобразователе, так же как и в известном, осуществляется режим «мягкого переключения» транзисторных ключей при напряжении на них, близком к нулю, что резко снижает динамические потери и коммутационные помехи.
При этом период коммутации выбирается оптимальным для минимизации объема трансформатора и элементов LC-фильтра, обеспечивающего заданный уровень пульсаций выходного напряжения.
Если ток нагрузки уменьшается от значения 5% до нуля, то изменение скважности генерируемых импульсов приводит к падению амплитуды положительных импульсов на дополнительной обмотке 20, что обнаруживается детектором напряжения 24, выход которого воздействует на выход времязадающей RC-цепи 22. Это приводит к возрастанию длительности открытого состояния транзисторного ключа 1, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему снижению амплитуды положительных импульсов на обмотке 20. Благодаря возникновению положительной обратной связи в преобразователе скачкообразно устанавливается пониженная частота устойчивых переключений, что позволяет стабилизировать выходное напряжение при конечной длительности импульсов ключа 1 и избежать потерь мощности в подгрузке. Существенно, что, как и в известном преобразователе, во всем диапазоне изменения тока нагрузки автоматически поддерживается режим «мягкого переключения».
Процессы в преобразователе при отсутствии нагрузки показаны на фиг.2 г, д, е.
При значительных токах нагрузки напряжения на конденсаторе С2 достаточно для поддержания транзистора VT3 в открытом состоянии. Переход база - эмиттер транзистора VT2 шунтирован резисторами R3, R4, включенными параллельно. При этом длительность импульсов формирователя 13 и транзисторного ключа 1 минимальна. Если ток нагрузки преобразователя приближается к нулю, то напряжение на конденсаторе С2 снижается, транзистор VT3 запирается, и резистор R4 отключается от цепи база - эмиттер транзистора VT2. Это приводит к возрастанию длительности открытого состояния транзистора VT2, силового транзисторного ключа VT1 и периода переключений всего преобразователя. Поскольку нет необходимости в точной фиксации момента перехода на увеличенное значение периода (он может колебаться от (3-5)% до (8-10)% от номинального значения тока), то температурная стабильность детектора напряжения на транзисторе VT3 не играет существенной роли.
Генерировать устойчивые автоколебания в схеме преобразователя без задающего трансформатора оказалось возможным при условии выполнения силового трансформатора с минимизированной емкостной связью между первичной и вторичной обмотками. Это условие может быть выполнено или секционированной раздельной намоткой первичной и вторичной обмоток, или намоткой обмоток на разных стержнях магнитопровода. Предпочтительной является раздельная намотка обмоток в отдельные секции каркаса как наиболее технологичная и не приводящая к увеличению габаритов и стоимости трансформатора.
В настоящее время разработан и испытан макетный образец стабилизированного преобразователя напряжения с входным напряжением ~220 В, 50 Гц, и выходными параметрами 5 В, 10А. Пульсации выходного напряжения <1% от Uвых, КПД=0,8. Период переключений под нагрузкой составляет 8 мкс, при холостом ходе возрастает до 14-15 мкс. Это позволяет уменьшить потери в подгрузке до 1% от выходной мощности.
Источники информации
1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под. ред. Г.С.Найвельта. М.: Радио и связь, 1985 г., стр.347.
2. Гутер Л.Р. Стабилизированный преобразователь напряжения. Патент РФ №2309520, Н02М 3/338. Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» №30, 2007 г.