Високоефективне стабілізоване силове джерело електроживлення дрьомова

Реферат: UA 98941 U UA 98941 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонована корисна модель належить до галузей електротехніки та радіотехніки і може бути використана при проектуванні джерел вторинного електроживлення силових радіоелектронних пристроїв, наприклад, при проектуванні підсилювачів потужності радіолокаційних станцій та систем. При цьому такі джерела електроживлення повинні одночасно мати високу якість вихідної напруги та малу величину потужності втрат. Відомі силові стабілізовані джерела електроживлення, що застосовуються в радіоелектронній апаратурі для електроживлення різних силових пристроїв. Один з широко відомих силових стабілізованих джерел електроживлення [див. П. Хоровиц, У. Хилл ИСКУССТВО СХЕМОТЕХНИКИ Под. редакцией М.В. Гальперина МОСКВА "МИР" 1984 г., Стр. 72, Рис. 1.75.] складається з силового трансформатора, випрямляча, згладжуючого ємнісного фільтра та стабілізатора постійної напруги. Недоліком відомого силового стабілізованого пристрою електроживлення є велика потужність втрат силового трансформатора, оскільки при проектуванні він повинен розраховуватись на значну вихідну потужність з причин суттєвих струмів навантаження на ємнісне навантаження та значна величина потужності втрат силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги з причин підвищеного мінімального падіння напруги на стабілізаторі. Даний силовий стабілізований пристрій електроживлення обмежений в використанні та може бути застосований при струмах навантаження споживачів до (3-4) А. Другий з відомих стабілізованих силових джерел електроживлення [дивись СПРАВОЧНИК ИСТОЧНИКИ ЭЛЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ Под. Редакцией Г.С. Найвельта МОСКВА "РАДИО И СВЯЗЬ" 1985г. Стр. 136.] складається з силового трансформатора, випрямляча, згладжуючого індуктивно-ємнісного фільтра та стабілізатора постійної напруги. Другий відомий силовий стабілізований пристрій електроживлення в порівнянні з першим характеризується меншою потужністю втрат силового трансформатора, оскільки суттєво зменшений його вихідний струм з причини застосування вихідного згладжуючого індуктивноємнісного фільтра, та меншою величиною скачка вхідного струму при ввімкнення. Недоліками другого відомого джерела електроживлення залишається значна величина потужності втрат силового транзистора регулюючого елементу стабілізатора постійної напруги з причин підвищеного мінімального падіння напруги на стабілізаторі. Із відомих джерел електроживлення більш близьким за технічною суттю і прийнятим за прототип (див. Источники вторичного электропитания /С.С. Букреев, В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович и др.: Под ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1983, стр. 223) є високоефективне силове стабілізоване джерело електроживлення, що містить понижуючий трансформатор, вхідні виводи якого сполучені з виводами для підключення напруги мережі живлення, вихідні виводи через випрямляч з'єднані зі згладжуючим індуктивно-ємкісним фільтром, вихідний вивід якого через перехід колектор-емітер силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги сполучений з першим вихідним виводом для підключення споживача, а загальний вивід сполучений з другим вихідним виводом для підключення споживача, причому база силового транзистора регулюючого елементу стабілізатора постійної напруги через послідовно ввімкнуті переходи емітер-база, відповідно, узгоджуючого та керуючого транзисторів сполучена з вихідним виводом вузла керування, загальний вивід якого підключений до загального виводу згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра, а вихідний вивід сполучений з першим вихідним виводом для підключення споживача. Даний пристрій живлення також характеризується значно меншою величиною струму вторинної обмотки основного понижуючого трансформатора, меншою величиною скачка вхідного струму при ввімкненні та меншою величиною його вихідної потужності за рахунок індуктивного навантаження вторинної обмотки, а також підвищеною величиною ККД, оскільки силовий транзистор стабілізатора постійної напруги має знижену величину потужності втрат за рахунок використання додатково сформованої вхідної напруги. Такий силовий стабілізований пристрій живлення може бути застосованим для живлення досить потужних споживачів стабілізованої постійної напруги. Однак суттєвими недоліками відомого високоефективного силового стабілізованого джерела електроживлення, які обмежують його застосування, є понижена надійність його роботи, складність проектування, налагодження та експлуатації, оскільки для забезпечення малої оптимальної величини потужності втрат силового транзистора регулюючого елементу стабілізатора постійної напруги та отримання підвищеної величини ККД джерела електроживлення необхідне досить складне формування додаткового пристрою вхідної постійної напруги та відповідно складний спосіб його підключення. 1 UA 98941 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу запропонованої корисної моделі поставлена задача створення такого високоефективного силового стабілізованого джерела електроживлення, який одночасно має і високу надійність роботи, і простоту проектування, і простоту налагодження та експлуатації при забезпеченні досить високого ККД. Поставлена задача вирішується тим, що в високоефективне силове стабілізоване джерело електроживлення, що містить понижуючий трансформатор, вхідні виводи якого сполучені з виводами для підключення напруги мережі живлення, вихідні виводи через випрямляч з'єднані зі згладжуючим індуктивно-ємкісним фільтром, вихідний вивід якого через перехід колекторемітер силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги сполучений з першим вихідним виводом для підключення споживача, а загальний вивід сполучений з другим вихідним виводом для підключення споживача, причому база силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги через послідовно увімкнуті переходи емітер-база, відповідно, узгоджуючого та керуючого транзисторів сполучена з вихідним виводом вузла керування, загальний вивід якого підключений до загального виводу згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра, а керуючий вивід сполучений з першим вихідним виводом для підключення споживача, додатково введені вхідний конденсатор, перший вивід якого сполучений з загальним виводом згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра та вхідний діод, перший вивід якого в провідному напрямку сполучений з вхідним виводом згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра, а вхідний вивід вузла керування та колектори, відповідно, узгоджуючого та керуючого транзисторів регулюючого елемента підключені до точки з'єднання другого виводу вхідного конденсатора з другим виводом вхідного діода. В нормальному режимі роботи живлення колекторного ланцюга силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги здійснюється вихідною напругою згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра, а живлення вхідного ланцюга вузла керування та колекторних ланцюгів узгоджуючого та керуючого транзисторів регулюючого елемента здійснюється напругою вхідного конденсатора. Оскільки напруга вхідного конденсатора має більшу величину в порівнянні з вихідною напругою згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра, падіння напруги на переході колектор-емітер силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної суттєво зменшується. Проведений аналіз науково-технічної та патентної літератури не виявив аналогічних технічних рішень. На кресленні показана запропонована електрична схема високоефективного силового стабілізованого джерела електроживлення. Запропоноване в даній заявці високоефективне силове стабілізоване джерело електроживлення містить в собі виводи 1, 2 для підключення напруги мережі живлення, виводи 3, 4 для підключення споживача, понижуючий трансформатор 5 з первинною 6 та вторинною 7 обмотками, випрямляч 8, згладжуючий індуктивно-ємкісний фільтр 9, стабілізатор постійної напруги 10, що включає силовий 11, а також узгоджуючий 12 та керуючий 13 транзистори регулюючого елемента, вузол керування 14 з вхідним 15, вихідним 16, загальним 17 та керуючим 18 виводами, вхідний діод 19, а також вхідний конденсатор 20. Виводи первинної обмотки 6 понижуючого трансформатора 5 сполучені з виводами 1, 2 для підключення напруги мережі живлення Uвх., виводи вторинної обмотки 7 понижуючого трансформатора 5 з'єднані з входом випрямляча 8. Вихід випрямляча 8 сполучений з входом згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра 9, вихідний вивід якого через перехід колекторемітер силового транзистора 11 регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги 10 сполучений з першим вихідним виводом 3 для підключення споживача. База силового транзистора 11 регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги 10 через послідовно увімкнуті переходи емітер-база, відповідно, узгоджуючого12 та керуючого 13 транзисторів сполучена з вихідним виводом 16 вузла керування 14. Загальний вивід 17 вузла керування 14з'єднаний з другим вихідним виводом 4 для підключення споживача та загальним виводом згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра 9, керуючий вивід 18 вузла керування 14 сполучений з першим вихідним виводом 3 для підключення споживача. Перший вивід вхідного діода 19 в провідному напрямку підключений до виходу випрямляча 8, а його другий вивід через вхідний конденсатор 20 сполучений з загальним виводом згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра 9. Вхідний вивід 15 вузла керування14, а також колектори узгоджуючого 12 та керуючого 13 транзисторів регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги 10 підключені до точки з'єднання вхідного діода 19 з вхідним конденсатором 20. Запропоноване високоефективне силове стабілізоване джерело електроживлення працює наступним чином. Напруга мережі живлення за допомогою понижуючого трансформатора 5 зменшується до необхідної величини, далі випрямляється випрямлячем 8, згладжується за 2 UA 98941 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 допомогою згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра 9 та надходить на вхід стабілізатора постійної напруги 10. Стабілізатор постійної напруги 10 виконує функцію стабілізації вихідної напруги при коливаннях напруги мережі живлення Uвх. Процес стабілізації вихідної напруги здійснюється наступним чином. Вихідна напруга стабілізатор постійної напруги 10 визначається різницею вихідної напруги індуктивно-ємкісного фільтру 9 та падіння напруги на силовому переході колектор-емітер силового транзистора 11. При зміні величини вихідної напруги індуктивно-ємкісного фільтра 9 відповідно змінюється і величина падіння напруги на силовому переході колектор - емітер силового транзистора 11 під впливом вихідного сигналу вузла керуванням для підтримання необхідної стабільної величини вихідної напруги стабілізатора 10. Наприклад, у разі підвищення величини вихідної напруги індуктивно-ємкісного фільтра 9 в першочерговий період дещо підвищується і величина напруги на виході стабілізатора 10. При цьому підвищується також і напруга на керуючому виводі 18 вузла керуванням 14. Підвищення напруги на керуючому виводі 18 призводить до зменшення сигналу на вихідному виводі 16 вузла керуванням, що призводить до зменшення провідності переходу колектор-емітер силового транзистора 11 регулюючого елемента та, відповідно, зниження вихідної напруги стабілізатора 10 до попереднього значення. У разі зниження величини вихідної напруги індуктивно-ємкісного фільтра 9 процеси робота вузла керування 14 та транзисторів 11, 12, 13 регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги 10 для забезпечення необхідної стабільності величини вихідної напруги джерело електроживлення проходять в зворотному напрямку. А саме знижується величина напруги на керуючому виводі 18 вузла керуванням, зменшується сигнал на вихідному виводі 16 вузла керуванням і, відповідно, зменшується провідність переходу колектор-емітер силового транзистора 11. Величина вихідної напруги стабілізатора постійної напруги 10 залишається на попередньому значенні. Основна суть запропонованого технічного рішення полягає в наступному. В більшості класичних схем побудови стабілізаторів постійної напруги 10 силового стабілізованого джерела електроживлення регулюючий елемент виконаний на транзисторах 11, 12, 13, які ввімкнуті по схемі складеного транзистора Дарлінгтона. В такій схемі ввімкнення величина мінімального падіння напруги на силовому переході колектор-емітер силового транзистора 11 згідно з формулою: Uке11мін=Uеб11+Uеб12+Uеб13+Uбк13, визначається сумою напруг переходів емітер база силового 11, узгоджуючого 12, і керуючого 13 транзисторів, а також напруги переходу база-колектор керуючого 13 транзистора. У разі застосування трьох транзисторів регулюючого елемента, ввімкнутих по схемі Дарлінгтона, мінімальне падіння напруги на силовому переході колектор-емітер силового транзистора 11 має величину 2,4 В, що з урахуванням коливання вхідної напруги суттєво понижує ККД як стабілізатора постійної напруги 10, так і джерела електроживлення. В відомому силовому стабілізованому джерелі електроживлення для забезпечення малої величини мінімального падіння напруги на переході колектор-емітер силового транзистора та отримання підвищеної величини ККД джерела електроживлення формується додатковий пристрій вхідної постійної напруги та застосований складний спосіб його підключення. В запропонованому високоефективному силовому стабілізованому джерелі електроживлення для забезпечення високого ККД, підвищеної надійності роботи, простоти проектування налагодження та експлуатації введені конденсатор 20 і діод 19 та організоване просте їх підключення до елементів загальної схеми. Вхідний конденсатор 20 в процесі роботи джерела електроживлення заряджений до величини амплітудного значення випрямленої напруги вторинної 7 обмотки понижуючого трансформатора 5, тобто до величини, яка на (1520)% перевищує величину вихідної напруги індуктивно-ємкісного фільтру 9. Оскільки колектор силового транзистора 11 регулюючого елементу живиться вихідною напругою індуктивноємкісного фільтру 9, а колектори узгоджуючого 12 та керуючого 13 транзисторів та вузла керуванням живляться напругою вхідного конденсатора 20, величина мінімального падіння напруги на силовому переході колектор-емітер силового транзистора 11 в запропонованому високоефективному силовому стабілізованому джерелі електроживлення визначається наступною формулою: Uке11мін=Uеб11+Uеб12+Uеб13+Uбк13-(U20-Uвих9). Так як напруга на вхідному конденсаторі 20 суттєво перевищує величину вихідної напруги індуктивно-ємкісного фільтра 9, то при забезпеченій умові: (U20-Uвих9)>(Uеб12+Uеб13+Uбк13), перехід колектор-база силового транзистора 11 зміщується в зворотному напрямку Uкб11звор, що значно зменшує величину мінімального падіння напруги на його силовому переході колектор - емітер до надто малої величини: 3 UA 98941 U 5 10 15 20 Uке11мін-Uеб11-Uкб11звор При робочій напрузі переходу емітер-база силового транзистора 11 Uкб11звор, яка для потужних транзисторів має величину (0,6-0,8) в та забезпечення величини зворотної напруги переходу колектор-база силового транзистора 11 Uкб11звор (0,5-0,6) в мінімальне падіння напруги на переході колектор-емітер силового транзистора 11 та, відповідно, мінімальне падіння напруги стабілізатора постійної напруги зменшується до величини (0,2-0,3)В, що суттєво підвищує ККД високоефективного силового стабілізованого джерела електроживлення та надійність його роботи. Таким чином отримане високоефективне силове стабілізоване джерело електроживлення, яке при простоті побудови одночасно володіє і високою надійністю роботи, і простотою проектування, і простотою налагодження та експлуатації при забезпеченні досить високого ККД за рахунок суттєвого зменшення мінімального падіння напруги на основному його елементі стабілізаторі постійної напруги достатньо простим способом. Експериментальні випробування підтвердили працездатність та позитивні якості запропонованого високоефективного силового стабілізованого джерела електроживлення. В порівнянні з відомим джерелом живлення запропоноване технічне рішення дозволило на 20 % спростити процеси проектування, налагодження та експлуатації потужних модулів живлення. В модулі живлення БП1.1.12 з вихідною напругою 5В та вихідним струмом 5А, який спроектований по схемі запропонованого високоефективного силового стабілізованого джерела електроживлення, отримані достатньо високі енергетичні показники: мінімальне падіння напруги на потужному стабілізаторі постійної напруги - 0,3В, ккд стабілізаторі постійної напруги - 75 %, ккд джерела електроживлення - 60 %. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 40 Високоефективне силове стабілізоване джерело електроживлення, що містить понижуючий трансформатор, вхідні виводи якого сполучені з виводами для підключення напруги мережі живлення, вихідні виводи через випрямляч з'єднані зі згладжуючим індуктивно-ємкісним фільтром, вихідний вивід якого через перехід колектор-емітер силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги сполучений з першим вихідним виводом для підключення споживача, а загальний вивід сполучений з другим вихідним виводом для підключення споживача, причому база силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги через послідовно ввімкнуті переходи емітер-база, відповідно, узгоджуючого та керуючого транзисторів сполучена з вихідним виводом вузла керування, загальний вивід якого підключений до загального виводу згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра, а вихідний вивід сполучений з першим вихідним виводом для підключення споживача, який відрізняється тим, що в нього додатково введені вхідний конденсатор, перший вивід якого сполучений з загальним виводом згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра, та вхідний діод, перший вивід якого в провідному напрямку сполучений з вхідним виводом згладжуючого індуктивно-ємкісного фільтра, а вхідний вивід вузла керування та колектори, відповідно, узгоджуючого та керуючого транзисторів регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги підключені до точки з'єднання другого виводу вхідного конденсатора з другим виводом вхідного діода. 4 UA 98941 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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