УСТРОЙСТВО ОБРАТНОЙ СВЯЗИ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ РАЗВЯЗКОЙ

Устройство обратной связи с трансформаторной развязкой относится к электронной преобразовательной технике и может применяться для организации обратной связи в преобразователях, имеющих гальваническую развязку между входными и выходными цепями.
Известны устройства обратной связи в преобразователях напряжения на основе оптопар. Основными недостатками оптопар являются недостаточно широкий температурный диапазон, ограниченный ресурс вследствие деградации параметров, а также низкая радиационная стойкость. Кроме того, серийно выпускаемые оптопары имеют значительный технологический разброс коэффициента передачи по току. Указанные факторы ограничивают применение оптопар в технике специального назначения, а также требует обеспечения запаса по устойчивости преобразователя при проектировании цепей обратной связи.
Из существующего уровня техники известно решение, описанное в патенте на полезную модель №105036, которое было взято за прототип. Данное устройство представляет собой прямоходовый dc-dc преобразователь с гальванической развязкой, в котором гальванический барьер в цепи обратной связи по напряжению реализован с помощью импульсного трансформатора.
Предлагаемая в указанном патенте структурная схема решения представлена на фиг. 1. В данной схеме устройство обратной связи с трансформаторной развязкой включает последовательно соединенные датчик выходного напряжения; узел сравнения; развязывающий трансформатор; сумматор; узел управления; генератор прямоугольных импульсов, подключенный к развязывающему трансформатору; датчик тока и генератор пилообразного напряжения, подключенные к сумматору, причем импульсы генератора прямоугольных импульсов синхронизированы по фазе с импульсами прямого хода преобразователя.
пор
ус
В описанном устройстве сигнал обратной связи представляет собой сумму импульсных сигналов, поступающих с узла 3 развязывающего трансформатора, с датчика 7 тока и с генератора 8 на сумматор 4. На выходе трансформаторно-выпрямительного узла преобразователя 9 напряжения вырабатывается выходное напряжение. Его часть через датчик 1 выходного напряжения поступает на узел 2 сравнения, где сравнивается с уставкой U. Выходной сигнал узла 2 сравнения U появляется, когда выходное напряжение преобразователя 9 напряжения достигает номинального значения. При достижении выходным напряжением номинального значения, узел 2 сравнения разрешает прохождение синронизированных по фазе с импульсами прямого хода преобразователя импульсов генератора 6 прямоугольных импульсов, через узел 3 развязывающего трансформатора. На вторичной обмотке развязывающего трансформатора появляется импульсное напряжение.
Предлагаемое решение имеет ряд существенных недостатков:
- сумматор 4 сигнала ОС по току и по напряжению не позволяет использовать широкую номенклатуру интегральных ШИМ-контроллеров, в которых для сигналов ОС по току и по напряжению определены раздельные выводы;
- реализация генератора 8 требует либо реализации дополнительной схемы, либо применения дополнительных обмоток основного трансформатора или накопительного дросселя. Особенно нежелательно применение дополнительных обмоток в случае использования пленарных магнитных элементов, обмотки которых реализованы на базе многослойных печатных плат. В этом случае введение дополнительных витков сдерживается технологическими ограничениями и возможностями производства печатных плат;
- отсутствие размагничивающего устройства развязывающего трансформатора.
Для преодоления указанных недостатков предлагается решение, основанное на структурной схеме фиг. 2.
Схема содержит гальванически развязанный преобразователь 9 напряжения, датчик 1 выходного напряжения, узел 2 сравнения, узел 3 развязывающего трансформатора в цепи обратной связи по напряжению, узел 5 управления. Датчик 7 тока является опционным устройством, что позволяет обеспечивать функционирование обратной связи в режиме работы по напряжению или по пиковому току.
Работа устройства происходит следующим образом.
Импульсы выходного напряжения узла 5 управления поступают на вход (затвор) ключа преобразователя 9 напряжения. На выходе преобразователя 9 напряжения вырабатывается выходное напряжение. Его часть через датчик 1 выходного напряжения поступает на узел 2 сравнения. Выходной сигнал узла 2 сравнения Uус зависит от сигнала рассогласования между выходным сигналом датчика 1 выходного напряжения и опорным напряжением. Для передачи сигнала рассогласования через развязывающий трансформатор производится его модуляция. Причем в качестве модулирующего сигнала используется выходной сигнал узла 5 управления, а изменение его амплитуды модулированного сигнала определяется значением выходного сигнала узла 2 сравнения Uус. На первичной обмотке развязывающего трансформатора появляется импульсное напряжение обратной связи Uос которое используется узлом 5 управления для изменения режима работы силового ключа преобразователя 9, чтобы поддерживать выходное напряжение преобразователя 9 на уровне номинального значения Uвых.
Основной целью полезной модели является включение в схему устройства размыкания и устройства размагничивания развязывающего трансформатора, что увеличивает точность и стабильность обратной связи.
Технический результат достигается тем, что устройство обратной связи с трансформаторной развязкой, содержащее датчик выходного напряжения, узел сравнения, узел развязывающего трансформатора, узел управления, преобразователь напряжения, отличается тем, что содержит устройство размыкания, подключенное последовательно с первичной обмоткой развязывающего трансформатора, управляемое выходным сигналом ШИМ-контроллера узла управления и устройство размагничивания, подключенное параллельно первичной обмотке развязывающего трансформатора, причем один конец первичной обмотки развязывающего трансформатора может быть подключен к минусу напряжения питания, а к другому концу первично обмотки подключено устройство размыкания, или один конец первичной обмотки развязывающего трансформатора может быть подключен к плюсу напряжения питания, а к другому концу первичной обмотки подключено устройство размыкания, а узел сравнения может содержать управляемый стабилитрон, подключенный катодом к одному концу вторичной обмотки развязывающего трансформатора, другой конец вторичной обмотки через выпрямительный диод может быть соединен с положительной цепью выходного напряжения, или узел сравнения может содержать управляемый стабилитрон, подключенный между концами вторичной обмотки развязывающего трансформатора, анодом к одному концу вторичной обмотки, а катодом через выпрямительный диод к другому концу вторичной обмотки.
Функционирование предложенной структурной схемы обеспечивается схемой, изображенной на фиг. 3, содержащей преобразователь 9 напряжения, датчик 1 выходного напряжения, узел 2 сравнения, узел 3 развязывающего трансформатора, узел 5 управления.
Сигнал с выхода преобразователя 9 напряжения поступает на датчик 1 выходного напряжения, представляющий собой, как правило, резистивный делитель напряжения. Выбор номиналов производится таким образом, что выходной сигнал делителя соответствует опорному напряжению управляемого стабилитрона VD2 при номинальном выходном напряжении преобразователя 9 напряжения. Средняя точка делителя напряжения подключена к входу VD2.
Узел 2 сравнения содержит управляемый стабилитрон VD2 с внутренним источником опорного напряжения, звено 13 коррекции, балластный резистор R1, выпрямительный диод VD1.
Изменение напряжения стабилизации VD2 происходит в случае отклонения выходного сигнала датчика 1 выходного напряжения от опорного напряжения. Это приводит к изменению амплитуды напряжения на вторичной обмотке развязывающего трансформатора T1. Таким образом, напряжение на вторичной обмотке T1 соответствует разнице между выходным напряжением и напряжением стабилизации VD2 с учетом прямого падения на диоде VD1. Балластный резистор R1 обеспечивает питание стабилитрона VD2 от напряжения выходных цепей. Выпрямительный диод VD1 блокирует протекание тока в цепи вторичной обмотки в обратном направлении во время паузы. Тем самым предотвращается замыкание вторичной обмотки и достигается возможность размагничивания магнитопровода трансформатора T1.
Звено 13 коррекции выполняет формирование необходимого вида передаточной характеристики узла 2 сравнения и служит для обеспечения устойчивости с учетом конкретного вида передаточной характеристики преобразователя 9 напряжения.
Таким образом, сигнал на вторичной обмотке трансформатора T1 является сигналом рассогласования, а сравнение выходного напряжения с опорным производится на стороне вторичных цепей преобразователя 9 напряжения. Такой подход исключает влияние паразитных элементов трансформатора Т1 и других компонентов на точность установления выходного напряжения.
Для возбуждения трансформатора T1 со стороны первичных цепей используется выходной сигнал ШИМ-контроллера 11, который непосредственно используется для управления ключом преобразователя 9 напряжения. Это позволяет избежать использования дополнительных компонентов для формирования модулирующего сигнала. Резистор R3 используется для ограничения потребляемого тока и выполняет функцию балластного резистора. Падение напряжения на R3 обеспечивает во время действия выходного импульса ШИМ-контроллера 11 формирование на первичной обмотке Т1 сигнала, равного сигналу рассогласования, который прикладывается к первичной обмотке.
Биполярный транзистор VT1 с типом проводимости p-n-p и резистор R2 образуют размыкающую цепь. Она прерывает ток через R3 в режиме паузы, что дает возможность произвести размагничивание магнитопровода трансформатора Т1 с помощью размагничивающей цепи 12.
Таким образом, в точке Р на схеме фиг. 3 мы имеем модулированный сигнал, амплитуда которого зависит от сигнала рассогласования, вырабатываемого узлом 2 сравнения. Причем, данный сигнал синфазен с выходным сигналом ШИМ-контроллера 11. Другими словами, выходной сигнал узла 2 сравнения имеет активное значение во время интервала прямого хода для прямоходового преобразователя 9 напряжения и может быть использован для непосредственной подачи на вход обратной связи по напряжению ШИМ-контроллера 11 узла 5 управления.
В ряде случаев входные цепи ШИМ контроллера 11 (усилитель сигнала ошибки) имеют ограниченное быстродействие, вследствие этого непосредственная подача модулированного сигнала может привести к появлению значительных искажений и отклонению выходных параметров от эталонных значений. В таких случаях в состав узла 5 управления опционно вводится пиковый детектор 10 (обозначен на схеме пунктиром). Пиковый детектор 10 не должен оказывать значительного влияния на вид и параметры передаточной характеристики в полосе пропускания контура обратной связи преобразователя 9 напряжения, что достигается соответствующим выбором элементов. При необходимости влияние пикового детектора 10 на передаточную характеристику может быть учтено и скомпенсировано при расчете параметров звена коррекции узла 2 сравнения.
Другим вариантом реализации блок-схемы фиг. 2 является схема, приведенная на фиг. 4.
Отличие данного варианта заключается в следующем:
- вторичная обмотка развязывающего трансформатора T1 через выпрямительный диод VD1 подключается непосредственно к выходу управляемого стабилитрона VD2;
- размыкающая цепь имеет отличную схему включения, а в ее составе используется биполярный транзистор с типом проводимости n-p-n;
- поскольку напряжение на вторичной стороне развязывающего трансформатора Т1 имеет импульсный характер, параллельно управляемому стабилитрону VD2 устанавливается конденсатор С1, обеспечивающий непрерывное питание VD2.
Главное функциональное отличие схемы на фиг. 4 заключается в том, что при увеличении выходного напряжения выше заданного значения сигнал, формируемый на развязывающем трансформаторе Т1, уменьшается, и наоборот. Другими словами, с первичной обмотки Т1 снимается инвертированный сигнал рассогласования. В ряде случаев такое решение позволяет упростить схему или повысить ее быстродействие. Например, инвертированный сигнал рассогласования может непосредственно подаваться на вход защелки ШИМ-контроллера 11, минуя усилитель сигнала ошибки.
Применение предложенных схем в данной полезной модели позволяет решить поставленную задачу и создать стабильное, точное устройство обратной связи с трансформаторной развязкой.