СТАБИЛИЗАТОР ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к области силовой преобразовательной техники, и может быть использовано во вторичных источниках питания.
Известны стабилизаторы тока, содержащие схему, включающую в себя выпрямитель, входной конденсатор, транзистор, диод, дроссель, датчик тока и схему управления [1, 2].
Недостатком таких стабилизаторов является низкая точность стабилизации выходного тока, не максимально большой диапазон ШИМ регулирования, низкий КПД и высокая стоимость.
Цель полезной модели - повышение точности стабилизации выходного тока, расширение ШИМ до 100%, повышение КПД, снижение стоимости, упрощение схемы управления, уменьшения одного из габаритных размеров стабилизатора тока, снижения уровня вносимых в сеть высокочастотных пульсаций, расширение списка возможных для применения транзисторов и повышение удобства эксплуатации.
Указанная цель достигается тем, что в стабилизаторе тока, содержащем схему, включающую в себя выпрямитель, входной конденсатор, транзистор, диод, дроссель, датчик тока и выходной конденсатор, первый выход схемы, содержащей выпрямитель, подключен к положительному полюсу входного конденсатора, катоду диода и через датчик тока, связанный со схемой формирования ШИМ сигнала, второй вход которой может быть соединен с отрицательным полюсом выходного конденсатора, третий вход может быть связан со схемой, содержащей приемную часть оптопары, а выход подключен к передающей части оптопары, к положительному полюсу выходного конденсатора и нагрузке, а второй выход схемы, содержащей выпрямитель, связан с отрицательным полюсом входного конденсатора и истоком транзистора, затвор которого соединен с выходом схемы, содержащей приемную часть оптопары, а сток подключен к аноду диода и через дроссель к отрицательному полюсу выходного конденсатора и нагрузке.
Параллельно входному конденсатору, связанному с выходами выпрямителя, подключены последовательно соединенные первый стабилитрон, линейный стабилизатор тока и второй стабилитрон, связанный с отрицательным полюсом входного конденсатора, параллельно первому стабилитрону подключены первый компаратор и делитель напряжения, а параллельно второму стабилитрону подключены мостовая схема, включающая в себя транзистор оптотранзистора и три резистора, а также второй компаратор, входами связанный с диагональными точками мостовой схемы, а выходом с затвором транзистора, у которого исток подключен к отрицательному полюсу входного конденсатора, а сток к дросселю, соединенному с отрицательным полюсом выходного конденсатора и нагрузкой, и диоду, связанному с положительным полюсом входного конденсатора, к которому также подключен датчик тока, соединенный с положительным полюсом выходного конденсатора, нагрузкой и резистором цепи обратной связи, подключенного к корректирующему резистору, связанному с отрицательным полюсом входного конденсатора, и не инвертирующему входу первого компаратора, у которого инвертирующий вход подключен к делителю напряжения, а выход через резистор к диоду оптотранзистора.
Параллельно первому стабилитрону подключены регулируемый делитель напряжения и устройство, состоящее из последовательно включенных астатического и инвертирующего усилителей, один из входов устройства соединен с положительным полюсом выходного конденсатора, второй вход связан с регулируемым делителем напряжения, а выход через последовательно включенные диод и резистор соединен с не инвертирующим входом первого компаратора.
К первому входу выпрямителя подключена первая цепочка, состоящая из последовательно включенных конденсатора и резистора, связанная с анодом первого диода и катодом второго диода, при этом катод первого диода соединен с положительным полюсом первого конденсатора, катодом третьего стабилитрона и положительным полюсом входного конденсатора, а анод второго диода соединен с отрицательным полюсом первого конденсатора, анодом третьего стабилитрона и первым резистором, связанным с анодом первого стабилитрона, ко второму входу выпрямителя подключена вторая цепочка, состоящая из последовательно включенных конденсатора и резистора, связанная с анодом третьего диода и катодом четвертого диода, анод четвертого диода соединен с отрицательными полюсами входного и второго конденсаторов, а катод третьего диода связан с положительным полюсом второго конденсатора и катодом второго стабилитрона, при этом линейный стабилизатор тока не используется.
К первому входу выпрямителя подключена первая цепочка, состоящая из последовательно включенных конденсатора и резистора, связанная с анодом первого диода и катодом второго диода, при этом катоды первого и четвертого диодов соединены с положительным полюсом сглаживающего конденсатора и катодом второго стабилитрона, а аноды второго и третьего диодов соединены с отрицательным полюсом сглаживающего конденсатора и анодом второго стабилитрона, ко второму входу выпрямителя подключена вторая цепочка, состоящая из последовательно включенных конденсатора и резистора, связанная с анодом четвертого диода и катодом третьего диода.
Первый выход схемы, содержащей выпрямитель, подключен к положительным полюсам первой группы входных конденсаторов, состоящей из одного или нескольких конденсаторов, и через первичную обмотку трансформатора соединен с положительными полюсами второй группы входных конденсаторов, состоящей из одного или нескольких конденсаторов, и катодом диода, а второй выход схемы, содержащей выпрямитель, подключен к отрицательным полюсам первой группы входных конденсаторов и через вторичную обмотку трансформатора соединен с отрицательными полюсами второй группы входных конденсаторов и истоком транзистора, при этом в состав первой и второй групп входных конденсаторов могут входить как полярные так и не полярные конденсаторы.
Первичная обмотка трансформатора подключена к схеме формирования ШИМ сигнала и входу схемы формирования управляющего сигнала, выход которой связан со схемой формирования ШИМ сигнала, а вторичная обмотка трансформатора соединена с управляющим элементом.
На фиг.1 показана схема стабилизатора тока; на фиг.2 - принципиальная схема одного из вариантов построения стабилизатора тока; на фиг.3 - принципиальная схема, повышающая точность стабилизации выходного тока и улучшающая регулировочную характеристику стабилизатора тока; на фиг.4 - принципиальная схема вспомогательного источника питания, предназначенная для работы стабилизатора тока без линейного стабилизатора тока; на фиг.5 - принципиальная схема вспомогательного источника питания, способного обеспечить достаточно большим током не только часть схемы стабилизатора тока, а и дополнительные устройства, такие как корректор коэффициента мощности, устройства защиты и т.д.; на фиг.6 - принципиальная схема устройства, позволяющего уменьшить, например, высоту платы стабилизатора тока, а также снизить уровень вносимых в сеть высокочастотных пульсаций.
В стабилизаторе тока (фиг.1), содержащем схему 1.1, включающую в себя выпрямитель, входной конденсатор 1.2, транзистор 1.7, диод 1.6, дроссель 1.9, датчик тока 1.8 и выходной конденсатор 1.10, первый выход схемы 1.1, содержащей выпрямитель, подключен к положительному полюсу входного конденсатора 1.2, катоду диода 1.6 и через датчик тока 1.8, связанный со схемой формирования ШИМ сигнала 1.4, второй вход которой может быть соединен с отрицательным полюсом выходного конденсатора 1.10, третий вход может быть связан со схемой 1.5, содержащей приемную часть оптопары, а выход подключен к передающей части оптопары 1.3, к положительному полюсу выходного конденсатора 1.10 и нагрузке 1.11, а второй выход схемы 1.1, содержащей выпрямитель, связан с отрицательным полюсом входного конденсатора 1.2 и истоком транзистора 1.7, затвор которого соединен с выходом схемы 1.5, содержащей приемную часть оптопары, а сток подключен к аноду диода 1.6 и через дроссель 1.9 к отрицательному полюсу выходного конденсатора 1.10 и нагрузке 1.11.
Стабилизатор тока (фиг.2) содержит контакты 2.1 и 2.2, выпрямитель 2.3 входной конденсатор 2.5, контакты 2.4 и 2.6, транзистор 2.31, диод 2.25, дроссель 2.26, датчик тока 2.19 и выходной конденсатор 2.21, параллельно входному конденсатору 2.5, связанному с выходом выпрямителя 2.3, подключены последовательно соединенные первый стабилитрон 2.7, линейный стабилизатор тока 2.9 и второй стабилитрон 2.10, связанный с отрицательным полюсом входного конденсатора 2.5, параллельно первому стабилитрону 2.7 подключены контакты 2.12 и 2.13, первый компаратор 2.16 и делитель напряжения 2.17, а параллельно второму стабилитрону 2.10 подключены контакты 2.27 и 2.28, мостовая схема 2.29, включающая в себя транзистор оптотранзистора и три резистора, а также второй компаратор 2.30, входами связанный с диагональными точками мостовой схемы, а выходом с затвором транзистора 2.31, у которого исток подключен к отрицательному полюсу входного конденсатора 2.5, а сток к дросселю 2.26, соединенному с отрицательным полюсом выходного конденсатора 2.21, нагрузкой 2.23 и контактом 2.24, и диоду 2.25, связанному с положительным полюсом входного конденсатора 2.5, к которому также подключен датчик тока 2.19, соединенный с положительным полюсом выходного конденсатора 2.21, нагрузкой 2.23, контактом 2.22 и резистором цепи обратной связи 2.20, подключенного к корректирующему резистору 2.18, связанному с отрицательным полюсом входного конденсатора 2.5, и не инвертирующему входу первого компаратора 2.16, у которого инвертирующий вход подключен к делителю напряжения 2.17, а выход через резистор 2.15 к диоду оптотранзистора 2.14.
В дополнительной схеме (Фиг.3) параллельно первому стабилитрону 2.7 подключены регулируемый делитель напряжения, включающий в себя резисторы 3.4 и 3.5, устройство 3.3, состоящее из последовательно включенных астатического и инвертирующего усилителей, один из входов устройства соединен с положительным полюсом выходного конденсатора 2.21, второй вход связан с регулируемым делителем напряжения, а выход, через последовательно включенные диод 3.2 и резистор 3.1, соединен с не инвертирующим входом первого компаратора 2.16.
На принципиальной схеме вспомогательного источника (Фиг.4) к первому входу выпрямителя 2.3 подключена первая цепочка, состоящая из последовательно включенных конденсатора 4.1 и резистора 4.2, связанная с анодом первого диода 4.3 и катодом второго диода 4.4, при этом катод первого диода 4.3 соединен с положительным полюсом первого конденсатора 4.5, катодом третьего стабилитрона 4.6 и положительным полюсом входного конденсатора 2.5, а анод второго диода 4.4 соединен с отрицательным полюсом первого конденсатора 4.5, анодом третьего стабилитрона 4.6 и первым резистором 4.7, связанным с анодом первого стабилитрона 2.7, ко второму входу выпрямителя 2.3 подключена вторая цепочка, состоящая из последовательно включенных конденсатора 4.8 и резистора 4.9, связанная с анодом третьего диода 4.10 и катодом четвертого диода 4.11, при этом анод четвертого диода 4.11 соединен с отрицательными полюсами входного 2.5 и второго 4.12 конденсаторов, а катод третьего диода 4.10 связан с положительным полюсом второго конденсатора 4.12 и катодом второго стабилитрона 2.10, кроме того стабилизатор тока 2.9 не используется.
На принципиальной схеме вспомогательного источника (Фиг.5) к первому входу выпрямителя подключена первая цепочка, состоящая из последовательно включенных конденсатора 5.7 и резистора 5.8, связанная с анодом первого диода 5.13 и катодом второго диода 5.11, при этом катоды первого 5.13 и четвертого 5.14 диодов соединены с положительным полюсом сглаживающего конденсатора 5.15 и катодом второго стабилитрона 2.10, а аноды второго 5.11 и третьего 5.12 диодов соединены с отрицательным полюсом сглаживающего конденсатора 5.15 и анодом второго стабилитрона 2.10, ко второму входу выпрямителя подключена вторая цепочка, состоящая из последовательно включенных конденсатора 5.9 и резистора 5.10, связанная с анодом четвертого диода 5.14 и катодом третьего диода 5.12.
На принципиальной схеме (Фиг.6) первый выход схемы, содержащей выпрямитель, 6.1 подключен к положительным полюсам первой группы входных конденсаторов 6.2, состоящей из одного или нескольких, конденсаторов, и через первичную обмотку трансформатора 6.3 соединен с положительными полюсами второй группы входных конденсаторов 6.4, состоящей из одного или нескольких конденсаторов, и катодом диода 1.6, а второй выход схемы, содержащей выпрямитель, 6.1 подключен к отрицательным полюсам первой группы входных конденсаторов 6.2 и через вторичную обмотку трансформатора 6.3 соединен с отрицательными полюсами второй группы входных конденсаторов 6.4 и истоком транзистора 1.7, при этом в состав первой и второй групп входных конденсаторов могут входить как полярные так и не полярные конденсаторы.
На схеме (Фиг.7) первичная обмотка трансформатора 7.1 подключена к схеме формирования ШИМ сигнала 1.4 и входу схемы формирования управляющего сигнала 7.3, выход которой связан со схемой формирования ШИМ сигнала 1.4, а вторичная обмотка трансформатора соединена с управляющим элементом 7.1.
Работает стабилизатор тока (фиг.1) следующим образом.
При подаче напряжения сети на вход схемы, содержащей выпрямитель, 1.1 входной конденсатор 1.2 заряжается, и появляются необходимые для работы формирователя ШИМ сигнала 1.4 и схемы, содержащей приемную часть оптопары, 1.5 вспомогательные напряжения. Формирователь ШИМ сигнала сравнивает напряжение на датчике тока с опорным и вырабатывает ШИМ сигнал, который поступает на передающую часть оптопары 1.3. Импульсы напряжения с выхода схемы, содержащей приемную часть оптопары, 1.5 подаются на затвор транзистора 1.7. При включенном состоянии транзистора 1.7 ток дросселя 1.9 увеличивается и протекает от положительного полюса входного конденсатора 1.2 через датчик тока 1.8, параллельно включенные выходной конденсатор 1.10 и нагрузку 1.11, дроссель 1.9 и транзистор 1.7 к отрицательному полюсу входного конденсатора 1.2. При выключенном состоянии транзистора 1.9 ток дросселя уменьшается и протекает через диод 1.6, датчик тока 1.8 и параллельно включенные выходной конденсатор 1.10 и нагрузку 1.11. Если не требуется уменьшать относительную величину пульсации тока нагрузки, выходной конденсатор 1.10 может не устанавливаться или использоваться не полярный конденсатор. Если требуется обеспечить автоматический переход из режима стабилизации тока в режим стабилизации выходного напряжения и наоборот, используется второй вход схемы формирования ШИМ сигнала 1.4, связанный с отрицательным полюсом выходного конденсатора 1.10. Если существует зависимость величины выходного тока от напряжения на входном конденсаторе, для уменьшения последней может использоваться третий вход схемы формирования ШИМ сигнала.
На фиг.2 приведена принципиальная схема одного из вариантов построения стабилизатора тока по схеме, показанной на фиг.1. Функции схемы формирования ШИМ сигнала выполняет компаратор 2.16. В качестве передающей и приемной частей оптопары используется оптотранзистор. Ошибка статической системы автоматического регулирования, работающей в релейном режиме, эффективно уменьшается подбором корректирующего резистора 2.18. На практике точность стабилизации тока нагрузки без особых усилий обеспечивается в пределах 1-2% при изменении действующего значения переменного напряжения сети от 150 до 270 вольт, выходном постоянном напряжении 150 вольт и токе нагрузки 300 миллиампер. Зона гистерезиса релейной системы и частота определяются инерционными свойствами оптотранзистора. В случае применения быстродействующих оптопар компаратор 2.16 должен быть охвачен положительной обратной связью для обеспечения оптимальной частоты работы стабилизатора.
На фиг.3 показана принципиальная схема, повышающая точность стабилизации выходного тока и улучшающая регулировочную характеристику стабилизатора тока, приведенного на фиг.2.
Использование в качестве вспомогательного источника питания схемы, показанной на фиг.4, позволяет не устанавливать линейный стабилизатор тока 2.9, а также увеличить токи потребления схемы формирования ШИМ сигнала и схемы, содержащей приемную часть оптопары. В результате этого повышается КПД, особенно при не большой мощности в нагрузке. Кроме того, появляется возможность увеличить рабочие токи как передающей, так и приемной части оптопары с целью уменьшения задержки при передаче ШИМ сигнала, а также использовать транзисторы с большими значениями емкости между затвором и истоком.
На фиг.5 приведена схема вспомогательного источника питания, позволяющая обеспечить достаточным количеством электрической энергии не только схему, включающую в себя приемную часть оптопары, но и дополнительные устройства, такие как корректор коэффициента мощности, устройства защиты и т.д. При этом обычно используется или линейный стабилизатор тока или схема, включающая в себя элементы, начиная с 4.1 по 4.7.
На фиг.6 показана схема, эффективно снижающая уровень вносимых в сеть высокочастотных пульсаций. Это объясняется тем, что величина емкости электролитического конденсатора в десятки раз превышает емкость конденсатора, который может быть связан непосредственно с сетью. Кроме того, при одинаковой суммарной емкости входного конденсатора, уменьшается высота платы стабилизатора тока.
На фиг.7 приведена схема, позволяющая повысить удобство эксплуатации, заключающееся в том, что элемент управления стабилизатором тока гальванически не связан с сетью. Работает схема следующим образом. На первичную обмотку трансформатора со схемы формирования ШИМ сигнала приходят двыхполярные дифференцированные импульсы. Действующее значение напряжения импульсов положительной полярности, также как и отрицательной полярности зависит от величины сопротивления управляющего элемента, подключенного к вторичной обмотке трансформатора. Из величины действующего значения напряжения схемой формирования управляющего сигнала вырабатывается напряжение, которое поступает на схему формирования ШИМ сигнала. В качестве управляющего элемента используются выключатели, кнопки и т.д., а для плавной регулировки выходного тока стабилизатора применяются переменные резисторы.
Таким образом, предлагаемый стабилизатор тока превосходит аналоги по точности (даже без применения схемы, приведенной на фиг.3), по диапазону ШИМ регулирования, по КПД, даже без применения вспомогательных источников питания (фиг.4, фиг.5) за счет того, что при одинаковой выходной мощности в предлагаемом стабилизаторе ток через транзистор будет меньше и соответственно будут меньше динамические потери, по стоимости и простоте, так как значительно проще в отечественных условиях изготовить микросхему или микросборку, включающую в себя два компаратора, оптопару и несколько резисторов, чем делать аналоги.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Data Sheet. HV9910
2. Data Sheet. HV9961