Стабілізуючий однотактний перетворювач постійної напруги

Реферат: Cтабілізуючий однотактний перетворювач постійної напруги містить в собі силовий трансформатор, що включає первинну, базову та вторинну обмотки, перший та другий виводи для підключення напруги живлення, перемикальний транзистор, комутуючий транзистор, струмозадавальний резистор, діод, конденсатор, резистор, обмежувальний резистор, запускаючий резистор, додатковий випрямляч з ємнісним фільтром, вихідний випрямний діод, вихідний ємнісний фільтр, перший та другий виводи для підключення навантаження, оптоелектронний елемент, що складається з світлодіода та фототранзистора, резистор позитивного зміщення, а також вимірювальний вузол зворотного зв'язку, виконаний на стабілітроні. UA 76658 U (54) СТАБІЛІЗУЮЧИЙ ОДНОТАКТНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ПОСТІЙНОЇ НАПРУГИ UA 76658 U UA 76658 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонована корисна модель належить до галузі електротехніки і може бути використана при проектуванні джерел вторинного електроживлення. Відомі стабілізуючі однотактні перетворювачі постійної напруги, виконані згідно зі схемою зі зворотним ввімкненням випрямного діода (зворотні перетворювачі). Один із відомих перетворювачів (див. Кабелев Б.В. Сетевой однотактный ВИП с накопительным дросселем - ЭТВА/Под ред. Ю.И. Конева, Μ.: Сов. радио, 1981. - Вып. 12. - С. 50, рис. 2), що включає високочастотний трансформатор з первинною та вторинними обмотками, силовий транзистор, накопичувальний дросель, вузол керування, який складається з задавального генератора, генератора пилкоподібної напруги, широтно-імпульсного модулятора та схеми сигналу зворотного зв'язку, а також вихідні випрямлячі та фільтри, має високі ККД, питомі та масо-габаритні характеристики. Суттєвими недоліками даного перетворювача є складність схемного виконання, складність проектування та наладки, а також підвищена вартість. Другий відомий перетворювач (див. Источники электропитания с бестрансформаторным входом для электронной аппаратуры, Учебное пособие (В.В. Пилинский. – К.: КПИ, 1985, С.-97, рис. 65) складається з високочастотного трансформатора, який має силову, дві керуючі та вихідні обмотки, силового транзистора зі схемою керування, яка виконана на підсилювальному транзисторі і тиристорі, а також з вузлів запуску та блокування і вихідних випрямлячів з фільтрами. Даний перетворювач досить широко використовується в джерелах електроживлення телевізійної та другої електронної апаратури, оскільки він відносно простий в схемному виконанні, а також має достатньо високі ККД. Недоліками другого відомого перетворювача є складність проектування, порівняно велика кількість елементів, підвищена вартість. З відомих перетворювачів більш близьким за технічною суттю і прийнятим за прототип (див. Бошерт. Обратные преобразователи решение проблемы создания дешевых бестрансформаторных источников питания - Электроника, 1978. - № 26. - С. 46, рис. 3) є стабілізуючий однотактний перетворювач постійної напруги, що містить в собі силовий трансформатор, перший вивід первинної обмотки якого з'єднаний з першим виводом для підключення напруги живлення, другий вивід через послідовно з'єднані перехід колектор-емітер перемикального транзистора та струмозадавальний резистор сполучений з другим виводом для підключення напруги живлення та другим виводом базової обмотки, перший вивід якої через ланцюг, що складається з послідовно з'єднаних діода, зашунтованого конденсатором, та резистора підключений до бази перемикального транзистора, а вторинна обмотка через зворотно включений випрямний діод та ємнісний фільтр з'єднана з виводами для підключання навантаження, а також запускаючий елемент, ввімкнений поміж першим виводом для підключення напруги живлення та загальною точкою резистора і діода вказаного ланцюга, комутуючий транзистор, який має тип провідності, аналогічний з типом провідності переключаючого транзистора та своїм колектором підключений до його бази, а базою через обмежувальний резистор - до його емітера, додатковий випрямляч з ємнісним фільтром, оптоелектронний елемент, світлодіод якого включений в вихідний ланцюг вимірювального вузла зворотного зв'язку, що включає стабілітрон, та вхідними виводами з'єднаного з виводами для підключення навантаження. Даний стабілізуючий однотактний перетворювач постійної напруги має достатньо високу якість вихідної напруги, низьку вартість і одночасно має відносно просте схемне виконання. Однак суттєвими недоліками даного перетворювача, обмежуючими його застосування, є складність проектування, оскільки через обмежувальний резистор в протифазі протікають базовий струм перемикального транзистора, величина якого залежить від багатьох факторів (коефіцієнта підсилення транзистора, вихідної потужності перетворювача, величини струму навантаження, зміни напруги живлення і т.д.). та вихідний струм ланцюга зворотного зв'язку, який постійно змінює свою величину, знижена стійкість роботи, так як сигнал зворотного зв'язку надходить безпосередньо на базу комутуючого транзистора, що має велику чутливість до зовнішніх перешкод, а також складність режиму роботи при малих навантаженнях, оскільки відсутні ланцюги розмагнічення силового трансформатора. В основу корисної моделі поставлена задача створення стабілізуючого однотактного перетворювача постійної напруги, в якому шляхом забезпечення стійкого режиму роботи перемикального транзистора та забезпеченням можливості одержання ланцюга розмагнічення силового трансформатора спрощений процес проектування, підвищена стійкість роботи та спрощений режим роботи при малих навантаженнях. Поставлена задача вирішується тим, що в стабілізуючий однотактний перетворювач постійної напруги, що містить в собі силовий трансформатор, вивід первинної обмотки якого 1 UA 76658 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 з'єднаний з першим виводом для підключення напруги живлення, другий вивід через послідовно з'єднані перехід колектор-емітер перемикального транзистора та струмозадавальний резистор сполучений з другим виводом для підключення напруги живлення та другим виводом базової обмотки, перший вивід якої через ланцюг, що складається з послідовно з'єднаних діода, зашунтованого конденсатором, та резистора підключений до бази перемикального транзистора, а вторинна обмотка через зворотно включений випрямний діод та ємнісний фільтр з'єднаний з виводами для підключення навантаження, а також запускаючий елемент, ввімкнутий поміж першим виводом для підключення напруги живлення та загальною точкою резистора і діода вказаного ланцюга, комутуючий транзистор, який має тип провідності, аналогічний з типом провідності перемикального транзистора та своїм колектором підключений до його бази, а базою через обмежувальний резистор - до його емітера, додатковий випрямляч з ємнісним фільтром, оптоелектронний елемент, світлодіод якого включений в вихідний ланцюг вимірювального вузла зворотного зв'язку, що включає стабілітрон, та вхідними виводами з'єднаного з виводами для підключення навантаження, введений резистор позитивного зміщення, один вивід якого з'єднаний з другим виводом базової обмотки, а другий вивід безпосередньо підключений до емітера комутуючого транзистора і через фототранзистор оптоелектронного елемента з'єднаний з виходом додаткового випрямляча з ємнісним фільтром, який підключений до першого виводу базової обмотки згідно зі схемою зі зворотним включенням випрямного діода. На Фіг. 1, показана електрична схема запропонованого однотактного перетворювача постійної напруги, на Фіг. 2 - діаграми напруг не елементах перетворювача, що пояснюють його роботу. Запропонований стабілізуючий однотактний перетворювач постійної напруги містить в собі силовий трансформатор 1, що включає первинну 2, базову 3 та вторинну 4 обмотки, перший 5 та другий 6 виводи для підключення напруги живлення, перемикальний транзистор 7, комутуючий транзистор 8, струмозадавальний резистор 9, діод 10, конденсатор 11, резистор 12, обмежувальний резистор 13, запускаючий резистор 14, додатковий випрямляч 15 з ємнісним фільтром 16, вихідний випрямний діод 17, вихідний ємнісний фільтр 18, перший 19 та другий 20 виводи для підключення навантаження, оптоелектронний елемент 21, що складається з світлодіода 22 та фототранзистора 23, резистор позитивного зміщення 24, а також вимірювальний вузол зворотного зв'язку 25, виконаний на стабілітроні 26. Перший вивід первинної обмотки 2 силового трансформатора 1 з'єднаний з першим виводом 5 для підключення напруги живлення, другий вивід через послідовно сполучені перехід колектор-емітер перемикального транзистора 7 та струмозадавальний резистор 9 з'єднаний з другим виводом 6 для підключення напруги живлення та другим виводом базової обмотки 3. Перший вивід базової обмотки 3 через ланцюг, який складається з послідовно з'єднаних діода 10, зашунтованого конденсатором 11, та резистора 12, підключений до бази перемикального транзистора 7 і колектора комутуючого транзистора 8. База комутуючого транзистора 8 через обмежувальний резистор 13 з'єднана з емітером перемикального транзистора 7. Другий вивід вторинної обмотки 4 через вихідний випрямний діод 17, включений в прямому напрямку, з'єднаний з одним із виводів вихідного конденсатора 18 і з виводом 19 для підключення навантаження, а її перший вивід безпосередньо сполучений з другим виводом вихідного конденсатора 18 і з виводом 20 для підключення навантаження. Один вивід резистора 24 позитивного зміщення з'єднаний з виводом 6 для підключення напруги живлення, другий вивід резистора 24 з емітером комутуючого транзистора 8 з'єднаний безпосередньо, а з виходом додаткового випрямляча 15 з ємнісним фільтром 16, приєднаних до першого виводу базової 3 обмотки в одній фазі з включенням вихідного випрямного діода 17 та вихідного конденсатора 18, з'єднаний через ланцюг, що включає фототранзистор 23 оптоелектронного елемента 21, фотодіод 22 якого разом з опорним стабілітроном 26 вимірювального вузла 25 створює ланцюг зворотного зв'язку, ввімкнутий поміж виводами 19, 20 для підключення навантаження. Запропонований стабілізуючий однотактний перетворювач постійної напруги працює наступним чином. Після підключення напруги живлення Uвх. перемикальний транзистор 7 відкривається за допомогою базового струму, який протікає через запускаючий резистор 14, і в подальшому входить в режим насичення під дією напруги базової обмотки 3. При цьому струм в первинній обмотці 2 зростає по лінійному закону, а в магнітному полі силового трансформатора 1 відбувається накопичення енергії. Цей процес продовжується до того моменту, коли зростаюча напруга між емітером та базою комутуючого транзистора 8 Ueδ 8 не досягне величини, достатньої для його відкривання. Відкривання комутуючого транзистора 8 призводить до закривання перемикального транзистора 7 та припинення протікання струму в первинній обмотці 2 силового трансформатора 1. Після цього напруги на обмотках силового 2 UA 76658 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 трансформатора 1 змінюють свою полярність, відкривається вихідний випрямний діод 17, і енергія, накопичена в силовому трансформаторі 1, передається в коло навантаження та одночасно забезпечує заряд вихідного конденсатора 18. Коли силовий трансформатор 1 звільняється від накопиченої в його магнітному полі енергії, відкривається перемикальний транзистор 7, і увесь процес повторюється. Вихідна потужність та вихідна напруга перетворювача залежать від максимального значення струму, який протікає в первинній обмотці 2 силового трансформатора 1. Шляхом відповідної зміни максимального струму за допомогою ланцюга зворотного зв'язку забезпечується стабілізація вихідної напруги перетворювача у випадках коливань напруги живлення або струму навантаження. Відбувається це наступним чином. Напруга емітер-база комутуючого транзистора 8 Ueδ8 дорівнює сумі двох напруг: напруги на струмозадавальному резисторі 9 (U9), яка змінюється пропорціонально струму первинної обмотки 2, та напруги на резисторі 24 позитивного зміщення (U 24), величина якої змінюється під дією сигналу вузла зворотного зв'язку 25. В нормальних умовах при номінальній величині напруги живлення, наприклад Uвх 1 (t1-t2, Фіг. 2) на резисторах 9, 24 установлюються величини напруг U91, U241, які забезпечують струм первинної обмотки 2, І21 та, відповідно, номінальне значення вихідної напруги Uвих.ном. У випадку підвищення напруги живлення до величини Uвх 2 (t2-t3, Фіг. 2) в початковий момент вихідна напруга декілька підвищується. Це призводить до збільшення струму, що протікає через світлодіод 22 оптоелектронного елемента 21 вимірювального вузла зворотного зв'язку, більшому відкриванню фототранзистора 23 і, як слідство, підвищенню падіння напруги на резисторі 24 позитивного зміщення до величини U242, внаслідок збільшення струму позитивного зміщення, який протікає по ланцюгу: другий вивід базової обмотки 3, резистор 24 позитивного зміщення, перехід колектор-емітер фототранзистора 23, додатковий випрямляч 15 з ємнісним фільтром 16 та перший вивід базової обмотки 3. Так як напруга Ueδ8 має постійну величину, знижується падіння напруги на струмозадавальному резисторі 9 до величини U9 2, знижується і максимальне значення струму первинної обмотки 2 силового трансформатора 1 до величини І 2. В результаті вихідна напруга перетворювача знижується до початкової величини Uвих.ном., тобто змінюється в достатньо малій мірі. В разі зниження напруги живлення до величини Uвх 3 (t3-t4, Фіг. 2) перетворювач працює в зворотному напрямку, тобто знижується струм світлодіода 22, трохи закривається фототранзистор 23, знижується напруга на резисторі 24 до величини U24 3, збільшується падіння напруги на струмозадавальному резисторі 9 до величини U9 3, підвищується струм первинної обмотки 2 до величини І2, а вихідна напруга змінюється незначною мірою і практично залишається на рівні номінального значення Uвих.ном. У випадку зниження навантаження режим роботи перетворювача спрощується, оскільки ланцюг позитивного зміщення, що складається з резистора 24, фототранзистора 23 та додаткового випрямляча 15 з ємнісним фільтром 16, виконуючи основну функцію працює в режимі розмагнічення силового трасформатора 1. Таким чином запропонований стабілізуючий однотактний перетворювач постійної напруги одночасно має просте схемне виконання, високу якість вихідної напруги, низьку вартість, а також просте проектування, оскільки через обмежувальний резистор 13 проходить тільки один струм - базовий струм перемикального транзистора 8, більш високою стійкістю, так як відсутній безпосередній зв'язок ланцюга позитивного зміщення, через який надходить сигнал зворотного зв'язку, з базою перемикального транзистора 8, та спрощеним режимом роботи при малих навантаженнях, оскільки є додатковий розмагнічуючий ланцюг силового трансформатора 1. Експериментальні дослідження підтвердили працездатність та позитивні якості запропонованого стабілізуючого однотактного перетворювача постійної напруги. Одержані стійка робота перетворювача та висока якість вихідної напруги в режимах зміни напруги живлення та навантаження, спрощений процес проектування. Запропонований стабілізуючий однотактний перетворювач може бути використаним при проектуванні високоефективних джерел вторинного електроживлення, зарядних пристроїв, економічних регуляторів температури. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Стабілізуючий однотактний перетворювач постійної напруги, що містить в собі силовий трансформатор, перший вивід первинної обмотки якого з'єднаний з першим виводом для підключення напруги живлення, другий вивід через послідовно з'єднані перехід колектор-емітер перемикального транзистора та струмозадавальний резистор, сполучений з другим виводом для підключення напруги живлення та другим виводом базової обмотки, перший вивід якої 3 UA 76658 U 5 10 15 через ланцюг, що складається з послідовно з'єднаних діода, зашунтованого конденсатором, та резистора, підключений до бази перемикального транзистора, а вторинна обмотка через зворотно включений випрямний діод та ємнісний фільтр з'єднана з виводами для підключення навантаження, а також запускаючий елемент, ввімкнутий поміж першим виводом для підключення напруги живлення та загальною точкою резистора і діода вказаного ланцюга, комутуючий транзистор, який має тип провідності, аналогічний з типом провідності перемикального транзистора, та своїм колектором підключений до його бази, а базою через обмежувальний резистор - до його емітера, додатковий випрямляч з ємнісним фільтром, оптоелектронний елемент, світлодіод якого включений в вихідний ланцюг вимірювального вузла зворотного зв'язку, що включає стабілітрон, та вхідними виводами з'єднаного з виводами для підключення навантаження, який відрізняється тим, що в нього введений резистор позитивного зміщення, один вивід якого з'єднаний з другим виводом базової обмотки, а другий вивід безпосередньо підключений до емітера комутуючого транзистора і через фототранзистор оптоелектронного елемента з'єднаний з виходом додаткового випрямляча з ємнісним фільтром, який підключений до першого виводу базової обмотки згідно зі схемою зі зворотним включенням випрямного діода. 4 UA 76658 U Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5