Пристрій керування імпульсним стабілізатором

Винахід відноситься до області електротехніки, зокрема до пристроїв перетворення параметрів електричної енергії і може бути використай для створення джерел вторинного електроживлення з бестрансформаторним входом, а також може бути використане при створенні інверторів постійної напруги від нетрадиційних джерел живлення (далі по тексту - НДХ) у перемінну синусоїдальну напругу промислової частоти. Широко відомі однотактні імпульсні стабілізатори напруги послідовного і рівнобіжного типів (наприклад, «Джерела електроживлення РЭА», довідник під ред. Г.С. Найвельта, М., «Радіо і зв'язок», 1986р., с.32-34; «Джерела вторинного електроживлення», довідковий посібник під ред. Ю.И. Конєва, М., «Радіо і зв'язок». 1983р., с.79-81; С.А. Эраносян, «Мережні блоки живлення з високочастотними перетворювачами», Л., «Энергоатомиздат», 1991р., с.21-30). Цим стабілізаторам присущі наступні недоліки: - невеликий граничний коефіцієнт заповнення імпульсів напруги на силовому трансформаторі; - неповне використання силового трансформатора, тому що силовий трансформатор (його сердечник) в однотактних каскадах перемагнічується не по повній петлі гистерезиса; - вищевказаний недолік може привести до перегріву і виходу з ладу силового транзистора і, щоб усун ути цей недолік, звичайно значно ускладнюють схеми керування, запуску і вимикання. Відомий «Імпульсний стабілізатор постійної напруги» (а.с. СРСР №851370, МПК-3 G05F1/56, Н02М3/335, БВ28 - 81р.), що містить двотактний регульований перетворювач з вихідним трансформатором, двотактний формувач імпульсів, зв'язаний з керуючими входами регульованого перетворювача, генератор, що задає, генератор пилкоподібної напруги, вхід якого з'єднаний з виходом генератора, що задає, підсилювач зворотного зв'язку, зв'язаний з виходом перетворювача, широтно-імпульсний перетворювач, одним входом з'єднаний з виходом підсилювача зворотного зв'язку, а іншим - з ви ходом генератора пилкоподібної напруги й елемент синхронізації, вхід якого з'єднаний з виходом генератора, що задає, а виходи зв'язані з входами формувача імпульсів, при цьому стабілізатор постачений повторювачем імпульсів і тригером, один вхід якого підключений до виходу широтно-імпульсного модулятора, іншої з'єднаний з першим виходом елемента синхронізації, а вихід - з першим входом формувача імпульсів, із другим входом елемента синхронізації і з керуючим входом повторювача імпульсів, ви хід якого з'єднаний із другим входом формувача імпульсів, причому генератор, що задає, постачений додатковими виходами, що з'єднані з виводами живлення повторювача імпульсів. Крім того, у стабілізаторі генератор, що задає, постачений трьома додатковими виходами із середньою крапкою, два з який є протифазними, а третій - виходом постійного струму, повторювач імпульсів містить вихідний підсилювач, ключовий елемент, операційний підсилювач, перший і другий генератори лінійного напруги, що змінюється, керуючий вхід першого генератора з'єднаний з керуючим входом повторювача імпульсів, а вихід з першим входом операційного підсилювача, другий вхід якого з'єднаний з виходом другого генератора, вивід живлення якого через діод, а вхід, зашунтований ключовим елементом, через резистор, зв'язаний з виходом операційного підсилювача, вихід якого зв'язаний з виходом повторювача імпульсів через вихідний підсилювач, затиск живлення якого, і керуючий вхід ключового елемента підключені до протифазних ви ходів генератора, що задає, третій додатковий вихід якого з'єднаний із виводом живлення першого генератора, а загальна крапка - із загальним виводом живлення всіх блоків повторювача імпульсів. Недоліком відомого імпульсного стабілізатора є несиметричність імпульсів керування двотактним перетворювачем, наслідком чого є однобічне насичення сердечника вихідного трансформатора і збільшення струмів через вихідні транзистори перетворювача. Відомий «Імпульсний стабілізатор постійної напруги» (а.с. СРСР №1067486, МПК-3 G05F1/56, БВ-2 - 84р.), що містить двотактний регульований перетворювач із силовим трансформатором, через вихідні випрямляч і фільтр зв'язаний з вихідними виводами, формувач імпульсів, виходами з'єднаний з керуючими входами перетворювача, а входами через повторювач імпульсів і безпосередньо - з виходом тригера, перший вхід якого з'єднаний з виходом ШІМ, один із входів якого через формувач пилкоподібного напруги зв'язаний з виходом генератора, що задає, інший вхід ШІМ з'єднаний з виходом підсилювача зворотного зв'язку, входи якого підключені до вихідних виводів і джерела опорної напруги відповідно, при цьому в стабілізатор уведені додатковий випрямляч з RC фільтром, підключені до вихідної обмотки силового трансформатора і з'єднані з першим входом елемента, що порівнює, другий вхід якого підключений до виходу джерела опорної напруги, виходи елемента, що порівнює, і пилообразної пилкоподібної напруги підключені до відповідного входам уведеного компаратора, вихід якого з'єднаний із другим входом тригера. Недоліками відомого пристрою є: - низька лінійність пилкоподібної напруги, зв'язана з зарядом конденсатора через елемент, що не забезпечує стабільного струму; - необхідність уведення ланцюгів синхронізації для симетрування перемагнічування сердечника і наближення лінійності пилкоподібної напруги до ідеального приводить до ускладнення принципової схеми керування і зменшенню надійності в зв'язку зі збільшенням кількості елементів. Найбільш близьким по технічній сутності і результату, якій досягається, і обраним як прототип є «Імпульсний стабілізатор постійної напруги» (Патент України №54292, МПК-7 G05F1/56, Бюл.№2, 2003p.), що містить двотактний двухтранзисторний регульований перетворювач із силовим трансформатором, вихідні випрямляч і фільтр, генератор, що задає, і формувач імпульсів, широтно-імпульсний модулятор, перетворювач зворотного зв'язку, при цьому генератор, що задає, виконаний у вигляді функціонального генератора, що включає генератор трикутних імпульсів, виконаний за схемою інтегратора, і синхронізований з ним генератор прямокутних імпульсів, виконаний за схемою компаратора, формувач імпульсів виконаний за схемою фазоінвертора, виконаного на цифрових мікросхемах, широтно-імпульсний модулятор виконаний на операційному підсилювачі, а перетворювач зворотного зв'язку включає оптоелектроний перетворювач вихідного сигналу стабілізатора, транзисторний емітерний повторювач і підсилювач зворотного зв'язку на операційному підсилювачі, причому вихід генератора трикутних сигналів з'єднаний з першим входом генератора прямокутних імпульсів і з першим входом широтноімпульсного модулятора, вихід генератора прямокутних імпульсів підключений до рахункового входу тригера фазоінвертора, вихід перетворювача зворотного зв'язку підключений до другого входу широтно-імпульсного модулятора, вихід якого підключений до входів логічних елементів фазоінвертора, два виходу якого підключені до двох входів попереднього двухтранзисторного підсилювача, виходи яких навантажені на бази силових транзисторів двотактного двухтранзисторного регульованого перетворювача, а схема керування стабілізатора харчується від вхідного параметричного стабілізатора, крім того, вихідний випрямляч виконаний за мостовою схемою, а вихідний фільтр виконаний за схемою LC-фільтра зі штучною нульовою крапкою, при цьому вхідний параметричний стабілізатор виконаний за схемою зі штучною нульовою крапкою. Недоліком прототипу є складна схемотехніка пристрою керування імпульсним стабілізатором. Задачею винаходу є розробка нової схемотехніки пристрою керування імпульсного стабілізатора з досягненням технічного результату - спрощення пристрою і підвищення надійності роботи. Поставлена задача зважується тим, що в «Пристрої керування імпульсним стабілізатором», якій містить генератор, що задає, виконаний у вигляді функціонального генератора, що включає генератор трикутних імпульсів, реалізований за схемою інтегратора, і синхронізований з ним генератор прямокутних імпульсів, реалізований за схемою компаратора, формувач імпульсів, що включає тригер і схему збігу, перетворювач зворотного зв'язку, перетворювач зворотного зв'язку виконаний на компараторі, прямої вхід якого з'єднаний з виходом генератора трикутних імпульсів, а інверсний вхід з'єднаний через перемикач з напругою мережі чи з виходом випрямляча напруги зворотного зв'язку, що включає діодний мост, дросель і конденсатор, що згладжує, а вихід компаратора з'єднаний з першими входами логічних елементів схеми збігу, на другі входи яких надходить керуюча напруга з виходу блоку токового захисту, причому зазначені входи логічних елементів схеми збігу через перемикач з'єднані з параметричним стабілізатором, а треті входи логічних елементів схеми збіги з'єднані з виходом тригера формувача імпульсів, причому виходи логічних елементів схеми збігу з'єднані з входами попереднього підсилювача імпульсного стабілізатора. Новим у пристрої, що заявляється, є більш проста схемотехніка побудови перетворювача зворотного зв'язку і додаткові можливості керування режимами роботи імпульсного стабілізатора за рахунок уведення нових елементів і зв'язків між ними. Тому очевидно, що реалізація пристрою, що заявляється, дозволить вирішити задачу, поставлену в даному винаході, з досягненням технічного результату спрощенням пристрою і підвищенням надійності його роботи. Суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, співпадаючими з прототипом, є наступні ознаки: - генератор, що задає; - генератор, що задає, виконаний у вигляді функціонального генератора, що включає генератор трикутних імпульсів і генератор прямокутних імпульсів; - генератор трикутних імпульсів реалізований за схемою інтегратора; - генератор прямокутних імпульсів реалізований за схемою компаратора; - генератор прямокутних імпульсів синхронізований з генератором трикутних імпульсів; - формувач імпульсів; - формувач імпульсів включає тригер і схему збігу; - перетворювач зворотного зв'язку. Відмітними від прототипу суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, є наступні ознаки: - перетворювач зворотного зв'язку виконаний на компараторі; - прямий вхід компаратора з'єднаний з виходом генератора трикутних імпульсів; - інверсний вхід компаратора з'єднаний через перемикач з напругою мережі чи з виходом випрямляча напруги зворотного зв'язку; - випрямляч напруги зворотного зв'язку включає діодний мост, дросель і конденсатор, що згладжує; - вихід компаратора з'єднаний з першими входами логічних елементів схеми збігу; - на другі входи логічних елементів схеми збігу надходить керуюча напруга з виходу блоку токового захисту; - другі входи логічних елементів схеми збігу через перемикач з'єднані з параметричним стабілізатором; - треті входи логічних елементів схеми збіги з'єднані з виходом тригера формувача імпульсів; - виходи логічних елементів схеми збіги з'єднані з входами попереднього підсилювача імпульсного стабілізатора. Між суттєвими ознаками винаходу, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок. Дійсно, нова схемотехніка пропонованого пристрою в порівнянні з прототипом простіше схемотехніки прототипу, хоча забезпечує нові додаткові функції керування імпульсним стабілізатором напруги, що підвищує надійність роботи пристрою в цілому. Сутність пристрою, що заявляється, пояснюється кресленнями. На фіг.1 зображена функціональна схема пристрою, що заявляється, а на фіг.2 показана його принципова електрична схема. Структурна схема пристрою, що заявляється, складається з функціонального генератора (далі по тексту - ФГ) 1, формувача імпульсів (формувача модульованих імпульсів керування, далі по тексту - ФМІК) 2, перетворювача зворотного зв'язку (далі по тексту - ПЗЗ) 3. ФГ1 складається з генератора трикутних імпульсів 4 і генератори прямокутних імпульсів 5. ФГ1 забезпечує інші вузли пристрою, що заявляється, трикутними імпульсами (для роботи ПЗЗ 3 - широтноімпульсного модулятора) і прямокутними імпульсами, синхронними з трикутними імпульсами, для роботи тригера ФМІК2. Синхронний збіг тривалості трикутних імпульсів з періодом прямокутних імпульсів дає можливість розділити імпульси керування транзисторами вихідного каскаду підсилювача потужності (умовно не показані). ФГ1 є замкнутої релаксаційною системою, що складається з інтегратора DA 1-1 і компаратора DA 1-2. Постійна часу інтегратора і, отже, частота генеруємих коливань залежать від ємності конденсатора С1, включеної в ланцюг негативного зворотного зв'язку. Напруга з виходу інтегратора DA 1-1 подається на вхід двухполярного компаратора DA 1-2 через резистор R3 і, по досягненні порога спрацьовування DA 1-2, полярність напруги на виході компаратора DA 1-2 змінюється на протилежну, і цикл повторюється. Плавне регулювання частоти здійснюється резистором R 5. Отже, якщо на виході компаратора DA1-2 є присутнім позитивна напівхвиля, то на виході інтегратора DA1-1 наростання фронту трикутного імпульсу напруги, а при переключенні компаратора DA1-2 - на виході інтегратора DA1-1 є присутнім негативний спад трикутного імпульсу. ФМІК2 складається з тригера 6 і схеми збігу 7. Перший вихід ФГ1 з'єднаний з першим входом ФМІК2, ви ходи якого з'єднані з входами попереднього підсилювача (умовно не показаний). Вихід імпульсного стабілізатора напруги (умовно не показаний) з'єднаний з першим входом ПЗЗ 3, другий вхід якого з'єднаний з виходом генератора трикутних імпульсів 4. Вихід ПЗЗ 3 з'єднаний із другим входом ФМІК2. На третій вхід ФМІК2 надходить керуюча напруга від блоку токового захисту (умовно не показаний), а через перемикач SA2 у положенні «Викл.» надходить стабілізована напруга, «отключаюча» керуючі сигнали від блоку токового захисту. ПЗЗ 3 включає випрямляч напруги зворотного зв'язку, що включає діодний мост VD2-VD5, дросель L1 і конденсатор, що згладжує, С2, що приводить до перетворення двухполярного сигналу зворотного зв'язку від трансформатора струму (умовно не показаний) в однополярний сигнал, що надходить на інверсний вхід активного елемента ПЗЗ 3 - компаратора DA1-3, прямої вхід якого через резистор R6 з'єднаний з виходом генератора трикутної напруги DA1-1, а інверсний вхід з'єднаний у потенціометром R11, включеним у резисторний дільник напруги R10, R12, що з'єднаний з перемикаючим контактом перемикача режимів роботи SA1, що має два положення - «мережа» і «внутрішні споживачі». Трикутні імпульси, амплітуда яких стабільна, надходять через буферний резистор R6 на прямий вхід D A1-3. Дільник еталонної напруги на резисторах R10-R12 забезпечують такий коефіцієнт підсилення ПЗЗ 3 на DA13, що необхідний для регулювання коефіцієнта стабілізації імпульсного стабілізатора. Установка вихідної напруги імпульсного стабілізатора Uвих виробляється резистором R11. Вихід компаратора DA1-3 з'єднаний з першими входами логічних елементів DD3-2 і DD3-3 схеми збігу 7 ФМІК 2. Як мікросхеми підсумовуючої логіки (логічні елементи DD3-2 і DD3-3 схеми збігу 7 ФМІК2), що виконує логічну функцію «І-НІ», використовуються мікросхеми DD3-2 і DD3-3 (К561 ЛЕ10 - трьох трехвходових логічного елемента «АБО-НІ»), що працюють у негативній логіці і реалізують функції «І-НІ». Це обумовлено з особливістю цих мікросхем, у яких при наявності логічної «1» на кожнім з її входів, на виході з'являється логічний «0», що приводить до режиму відсічення роботи вихідних транзисторів підсилювача потужності імпульсного стабілізатора, і, отже, охороняє ці силові транзистори від виходу з ладу. ФМІК2 включає також тригер 6, виконаний на мікросхемі DD2, рахунковий вхід якого підключений до виходу генератора прямокутних імпульсів 5, а прямої вихід тригера 6 з'єднаний із третіми входами логічних елементів DD3-2 і DD3-3 схеми збігу 7 ФМІК2, причому на DD3-3 подається прямий сигнал з виходу тригера 6, а на DD3-2 подається інверсний сигнал з виходу тригера 6 через інвертор на логічному елементі DD3-1. При цьому інвертор DD3-1 уведений для того, щоб виключити перешкоду, зв'язану з часом затримки переключення тригера 6. При цьому на другі входи логічних елементів DD3-2 і DD3-3 схеми збігу 7 ФМІК 2 надходить керуюча напруга з виходу блоку токового захисту (умовно не показаний) чи через перемикач SA2 подається постійна напруга +15В від параметричного стабілізатора на резисторі R15 і стабілітроні VD1. Виходи логічних елементів DD3-2 і DD3-3 схеми збігу 7 ФМІК2 з'єднані з входами попереднього підсилювача імпульсного стабілізатора (умовно не показаний). Повний цикл формування трикутного імпульсу у ФГ1 відбувається протягом одного періоду прямокутних імпульсів на виході компаратора DA1-2. Для одержання двополярних імпульсів керування необхідно розділити на «2» частоту проходження імпульсів з виходу компаратора ФГ1, щоб у кожен напівперіод отриманих прямокутних імпульсів синхронно входив один цикл трикутних імпульсів з виходу інтегратора DA1-1 ФГ1. Для цього в схему ФМІК2 уведений D-тригер DD2 у режимі розподілу на «2». З виходу DD2 прямокутні імпульси з частотою перетворення надходять на вхід мікросхеми DD3, що виділяє імпульси керування позитивної і негативної полярності. Імпульси позитивної полярності формуються на елементі DD3-3 шляхом підсумовування імпульсів з виходу ПЗЗ 3, що випливають кожні напівперіод частоти перетворення з позитивним напівперіодом частоти перетворення. Елемент DD3-1 виконує роль інвертора. Інвертовані імпульси необхідні для виділення імпульсів негативної полярності. На виході DD3-2 виходять негативні імпульси для негативної напівхвилі імпульсного стабілізатора. З ви ходу DD3-3 знімають позитивні імпульси, модульовані по ширині для позитивних напівперіодів імпульсного стабілізатора. Пристрій працює в такий спосіб. За допомогою перемикача SA1 вибирається один із двох можливих режимів роботи пристрою - у режимі перетворювача імпульсної постійної напруги в постійну напругу (перемикач SA1 знаходиться в положенні «мережа») чи в режимі імпульсного стабілізатора (перемикач SA1 знаходиться в положенні «внутрішні споживачі»). У режимі перетворювача імпульсної постійної напруги в постійну напругу за допомогою дільника R10-R12 формуються імпульси «зі сходинкою», що необхідні для нормальної роботи силових транзисторів перетворювача квазісинусоїдальної напруги - далі по тексту ПКСН (умовно не показаний). Під час формування «сходинки» усі силові транзистори ПКСН працюють у режимі «відсічення», тобто відключені. В інших випадках силові транзистора по черзі попарно переключаються і вся напруга від НДХ перетвориться в напругу живлення ПКСН, величина якого буде залежати від вихідної напруги НДХ, при цьому воно буде змінюватися відповідно зміні напруги НДХ. У режимі імпульсного стабілізатора (перемикач SA1 знаходиться в положенні «внутрішні споживачі») через дільник R10-R12 випрямлена мостовим випрямлячем VD2-VD5 і відфільтроване фільтром L1 і конденсатором С2, напруга зворотного зв'язку керує величиною постійної напруги живлення ПКСН. При збільшенні постійної напруги від НДХ напруга живлення ПКСН падає і навпаки. Отже, джерело живлення переходить у режим стабілізації напруги живлення ПКСН. Для живлення ПКСН використовуються кілька постійних напруг, що утворять рівні квантування по напрузі для формування квазісинусоїдальної напруги. А тому що напруга зворотного зв'язку знімається з додаткової обмотки силового трансформатора, то в кожен визначений момент часу величина цієї напруги зворотного зв'язку відповідає напрузі даного рівню квантування. Таким чином, при замиканні перемикачем SA1 ланцюга зворотного зв'язку з вихідного трансформатора (умовно не показаний), напруга на виході джерела живлення стабілізується поза залежністю від зміни напруги на вході джерела, що забезпечує на виході перетворювача, до складу якого входить пристрій, що заявляється, квазісинусоїдальну напругу 220В 50Гц. А при роботі на мережу перемикач SA1 замикає ланцюг резисторів R10, R11, R12, що забезпечує формування сходинки, забезпечуючи безпечний режим роботи джерела, вихідна напруга якого залежить від зміни напруги на вході джерела - це забезпечує максимальну віддачу енергії в мережу 220В 50Гц. Прямокутні імпульси з виходу DA1-2 надходять на рахунковий вхід тригера DD2, що визначає по який з обмоток вихідного трансформатора (умовно не показаний) піде струм. Логічні елементи DD3-2 і DD3-3 схеми збігу 7 ФМІК2 забезпечують підсумовування імпульсів із тригера DD2 з імпульсами виходу компаратора DD1-3, що повторюються кожні півперіоди. На компараторі DA1-3 трикутні імпульси з виходу генератора DA1-1 порівнюються з постійною напругою зворотного чи зв'язку з фіксованим рівнем формування сходинки. Якщо перемикач SA1 знаходиться в положенні «мережа», це постійне напруження формує при підсумовуванні з трикутними імпульсами прямокутні негативні імпульси, що займають 90% від тривалості трикутних імпульсів. Якщо перемикач SA1 знаходиться в положенні «внутрішні споживачі», то при напрузі виходу ПКСН 220В+10%, ці імпульси займають 50% від тривалості трикутних імпульсів, за умови, що напруга НДХ складає близько 65В. При зменшенні напруги від НДХ менш 65В зазначені прямокутні імпульси розширюються, отже, сигнал на відкривання вихідних транзисторів підсилювача потужності імпульсного стабілізатора присутній протягом більшого часу, що приводить до зростання напруги на виході імпульсного стабілізатора до норми, незважаючи на зменшення напруги від НДХ на вході імпульсного стабілізатора. При збільшенні напруги від НДХ більш 65В зазначені прямокутні імпульси стають уже, отже, сигнал на відкривання вихідних транзисторів підсилювача потужності імпульсного стабілізатора присутній протягом меншого часу, що приводить до зменшення напруги на ви ході імпульсного стабілізатора до норми, незважаючи на збільшення напруги від НДХ на вході імпульсного стабілізатора. При замиканні перемикача SA2 відключається силова частина ПКСН від НДХ, тобто при приєднанні до входів DD3-2 і DD3-3 напруги +15В, на їхніх вихода х з'являється сигнал логічного нуля, що приводить до відключення вихідних транзисторів підсилювача потужності імпульсного стабілізатора, тобто ці транзистори будуть знаходитися в режимі відсічення. Імпульси керування з виходу логічних елементів DD3-2 і DD3-3 схеми збігу 7 ФМІК2 надходять на входи попереднього підсилювача імпульсного стабілізатора (умовно не показаний). При спрацьовуванні пристрою токового захисту, на другі входи логічних елементів DD3-2 і DD3-3 схеми збігу 7 ФМІК2 надходить сигнал логічної одиниці, тим самим на виходах логічних елементів DD3-2 і DD3-3 установлюється сигнал логічного нуля і виключається попередній підсилювач імпульсного стабілізатора (умовно не показаний). На підставі усього вищевикладених можна зробити висновок, що задача, поставлена в дійсному винаході розробка нової схемотехніки пристрою керування імпульсного стабілізатора - виконана з досягненням технічного результату - спрощенням пристрою і підвищенням надійності його роботи.