Стабілізоване силове джерело електроживлення

Реферат: UA 99026 U UA 99026 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 малу величину потужності втрат та високу надійність роботи. Відомі стабілізовані силові джерела електроживлення, що застосовуються в радіоелектронній апаратурі для електроживлення різних силових пристроїв. Один з широковідомих стабілізованих силових джерел електроживлення (див. П. Хоровиц, У. Хилл ИСКУССТВО СХЕМОТЕХНИКИ / Под. редакцией Μ. В. Гальперина. – МОСКВА: МИР, 1984. - 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 вихідних струмів на ємнісне навантаження та значна величина потужності втрат силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги з причин підвищеного мінімального падіння напруги на стабілізаторі. Дане стабілізоване силове джерело електроживлення обмежено в використанні та може бути застосований при струмах навантаження споживачів до (2-3) А. Другий з відомих стабілізованих силових джерел електроживлення (дивись СПРАВОЧНИК ИСТОЧНИКИ ЭЛЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ / Под. Редакцией Г.С. Найвельта. – МОСКВА: РАДИО И СВЯЗЬ, 1985 г. - 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 стрибка вхідного струму при ввімкнення. Недоліками другого відомого джерела електроживлення залишається значна величина потужності втрат силового транзистора регулюючого елемента 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. заявку на корисну модель № u 2014 13199 від 09 12 2014 р.) є стабілізоване силове джерело електроживлення, що містить понижуючий трансформатор, вхідні виводи якого сполучені з виводами для підключення напруги мережі живлення, вихідні виводи через випрямляч з'єднані з згладжуючим індуктивно-ємнісним 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, допоміжний ланцюг напруги зміщення, що ввімкнутий поміж виходом випрямляча та другим вихідним виводом для підключення споживача і складається з послідовно сполучених додаткового діода та додаткового конденсатора, а також вузол керування, вхідний вивід якого сполучений з точкою з'єднання додаткового діода з додатковим конденсатором та колекторами керуючого та узгоджуючого транзисторів регулюючого елемента, вихідний вивід через перехід база-емітер керуючого транзистора сполучений з базою узгоджуючого транзистора, загальний вивід сполучений з другим вихідним виводом для підключення споживача, а керуючий 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 трибка вхідного струму при ввімкнення, пониженою величиною його вихідної потужності за рахунок індуктивного навантаження вторинної обмотки, а також підвищеною величиною ККД, оскільки силовий транзистор стабілізатора постійної напруги має малу 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 суттєвим недоліком запропонованого стабілізованого силового джерела електроживлення, який обмежує його застосування, є понижена надійність його роботи, що пояснюється значним перевантаженням додаткового діода та колекторів керуючого та узгоджуючого транзисторів регулюючого елемента у разі пониження напруги мережі живлення нижче заданої величини та при аварійних обривах колекторного ланцюга силового транзистора. Цей недолік пояснюється тим, що у разі пониження напруги мережі живлення нижче заданої 1 UA 99026 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 величини та при аварійних обривах колекторного ланцюга силового транзистора коефіцієнт підсилення силового транзистора зменшується майже до нульового значення, і величина струму живлення споживача, яка значно перевищує величину струму додаткового діода та колектора узгоджуючого транзистора, починає протікати по ланцюгу додаткового діода та колектора узгоджуючого транзистора та призводить до виходу їх з ладу. В основу запропонованої корисної моделі поставлена задача створення такого стабілізованого силового джерела електроживлення, який одночасно має і простоту схеми побудови, і малу величину потужності втрат силового транзистора за рахунок використання додатково сформованої вхідної напруги, що забезпечує досить високий ККД, і високу надійність роботи при виникненні аварійних ситуацій, наприклад таких як суттєве зниження напруги живлення та обрив колекторного ланцюга силового транзистора. Поставлена задача вирішується тим, що в стабілізоване силове джерело електроживлення, що містить понижуючий трансформатор, вхідні виводи якого сполучені з виводами для підключення напруги мережі живлення, вихідні виводи через випрямляч з'єднані з згладжуючим індуктивно-ємнісним 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, допоміжний ланцюг напруги зміщення, що ввімкнутий поміж виходом випрямляча та другим вихідним виводом для підключення споживача і складається з послідовно сполучених додаткового діода та додаткового конденсатора, а також вузол керування, вхідний вивід якого сполучений з точкою з'єднання додаткового діода з додатковим конденсатором та колекторами керуючого та узгоджуючого транзисторів регулюючого елемента, вихідний вивід через перехід база-емітер керуючого транзистора сполучений з базою узгоджуючого транзистора, загальний вивід сполучений з другим вихідним виводом для підключення споживача, а керуючий вивід сполучений з першим вихідним виводом для підключення споживача, додатково введені резисторний датчик струму перевантаження, резисторний подільник напруги та захисний транзистор, причому резисторний датчик струму перевантаження ввімкнутий поміж емітером узгоджуючого транзистора та базою силового транзистора регулюючого елемента, резисторний подільник напруги ввімкнутий поміж емітером узгоджуючого транзистора та другим вихідним виводом для підключення споживача, база захисного транзистора підключена до середньої точки резисторного подільника напруги, його емітер з'єднаний з емітером силового транзистора, а колектор підключений до вихідного виводу вузла керування. В нормальному режимі роботи живлення колекторного ланцюга силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги здійснюється вихідною напругою згладжуючого індуктивно-ємнісного фільтра, а живлення вхідного ланцюга вузла керування та колекторних ланцюгів узгоджуючого та керуючого транзисторів регулюючого елемента здійснюється напругою додаткового конденсатора. Оскільки напруга додаткового конденсатора має більшу величину порівнянні з вихідною напругою згладжуючого індуктивно-ємнісного фільтра, падіння напруги на переході колектор-емітер силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної при цьому має досить малу величину, що забезпечує високий ККД. А введені резисторний датчик струму перевантаження, резисторний подільник напруги та захисний транзистор значно зменшують вірогідність суттєвого перевантаження, а також можливість виходу з ладу додаткового діода та узгоджуючого і керуючого транзисторів регулюючого елемента в аварійних ситуаціях. Проведений аналіз науково-технічної та патентної літератури не виявив аналогічних технічних рішень. На кресл.показана електрична схема запропонованого стабілізованого силового джерела електроживлення. Запропоноване в даній заявці стабілізоване силове 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-ємнісний 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, додатковий діод 19, додатковий конденсатор 20, резисторний датчик 21 струму перевантаження, резистори 22, 23 подільника напруги та захисний транзистор 24. 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 2 UA 99026 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 згладжуючого індуктивно-ємнісного 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, а загальний вивід сполучений з другим вихідним виводом 4 для підключення споживача. Додатковий діод 19 допоміжного ланцюга напруги зміщення одним виводом в провідному напрямку сполучений з виходом випрямляча 8, а другим виводом через додатковий конденсатор 20 сполучений з другим вихідним виводом 4 для підключення споживача. Вхідний вивід 15 вузла керування 14, а також колектори узгоджуючого 12 та керуючого 13 транзисторів регулюючого елемента з'єднані з загальною точкою додаткового діода 19 та додаткового конденсатора 20, вихідний вивід 16 вузла керування 14 через перехід база-емітер керуючого транзистора 13 сполучений з базою узгоджуючого транзистора 12. Загальний вивід 17 вузла керування 14 з'єднаний з другим вихідним виводом 4 для підключення споживача, а його керуючий вивід 18 сполучений з колектором силового транзистора 11 регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги 10. Резисторний датчик 21 струму перевантаження ввімкнутий поміж емітером узгоджуючого транзистора 12 та базою силового транзистора 11 регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги 10, резисторний подільник напруги складається з послідовно сполучених резисторів 22, 23 та ввімкнутий поміж емітером узгоджуючого транзистора 12 та другим вихідним виводом 4 для підключення споживача. База захисного транзистора 24 підключена до середньої точки резисторів 22, 23 резисторного подільника напруги, його емітер з'єднаний з емітером силового транзистора 11, а колектор підключений до вихідного виводу 16 вузла керування14. Запропоноване стабілізоване силове джерело електроживлення працює наступним чином. Напруга мережі живлення за допомогою понижуючого трансформатора 5 зменшується до необхідної величини, далі випрямляється випрямлячем 8, згладжується за допомогою згладжуючого індуктивно-ємнісного фільтра 9 та надходить на вхід стабілізатора постійної напруги 10. Стабілізатор постійної напруги 10 виконує функцію стабілізації вихідної напруги при коливаннях напруги мережі живлення ~Uвx. Стабілізація вихідної напруги здійснюється наступним чином. Вихідна напруга стабілізатор постійної напруги 10 визначається різницею вихідної напруги індуктивно-ємнісного фільтру 9 та падіння напруги на силовому переході колектор-емітер силового транзистора 11. При зміні величини вихідної напруги індуктивноємнісного фільтра 9 відповідно змінюється і величина падіння напруги на силовому переході колектор-емітер силового транзистора 11 під впливом вихідного сигналу вузла керуванням для підтримання стабільної величини вихідної напруги стабілізатора 10. Наприклад, у разі підвищення величини вихідної напруги індуктивно-ємнісного фільтра 9 в початковий період дещо підвищується також величина напруги на виході стабілізатора 10. При цьому підвищується і величини напруги на керуючому виводі 16 вузла керування 14. Підвищення напруги на керуючому виводі 16 призводить до зменшення вихідного сигналу вузла керуванням, що призводить до зменшення провідності переходу колектор-емітер силового транзистора 11 регулюючого елемента та, відповідно, зменшення вихідної напруги стабілізатора 10 до попереднього значення. У разі зниження величини вихідної напруги індуктивно-ємнісного фільтра 9 процеси роботи 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. Додатковий конденсатор 20 допоміжного ланцюга напруги зміщення в процесі роботи джерела електроживлення через додатковий діод 19 заряджений до величини амплітудного значення випрямленої напруги вторинної 7 обмотки понижуючого трансформатора 5, тобто до величини, яка на (15-20)% перевищує величину вихідної напруги індуктивно-ємнісного фільтру 9. Оскільки колектор силового транзистора 11 регулюючого елемента живиться вихідною напругою індуктивно-ємнісного фільтра 9, а колектори узгоджуючого12 та керуючого 13 транзисторів та вузла керуванням живляться напругою додаткового конденсатора 20, величина мінімального падіння напруги на силовому переході колектор-емітер силового транзистора 11 має достатньо малу величин, що можна пояснити наступним чином. Величина мінімального падіння напруги на силовому переході колектор-емітер силового транзистора 11 визначається наступною формулою: Uке11мін = Uеб11+Uеб12+Ueб13+Uбк13 - (U20-Uвих9). При забезпеченні за рахунок допоміжного ланцюга напруги зміщення, що включає додатковий діод 19 та додатковий конденсатор 20, наступної умови: (U20-Uвux9) > (Uеб12+Uеб13+Uбк13), 3 UA 99026 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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: Uке11мін = Uеб11-Uкб11звор. Вище приведене свідчить про достатньо високий ККД як самого стабілізатора постійної напруги 10, так і стабілізованого силового джерела електроживлення в цілому. В нормальному режимі роботи завдяки відповідної величини коефіцієнта підсилення силового транзистора 11 величина базового струму силового транзистора 11 приблизно в 30 менша від величини його колекторного струму, при цьому падіння напруги на резисторному датчику 21 струму перевантаження, полярність якого в прямому напрямку направлена на захисний транзистор 24, має дуже малу величину (~0,1 В). Напруга переходу емітер-база Uеб11 силового транзистора 11, величина якої знаходиться в межах (0,6-0,7) В, також є відкриваючою для захисного транзистора 24. Тобто до переходу емітер-база Uеб11 захисного транзистора 24 приложена сумарна відкриваюча напруга (0,7-0,8) В. Резистори 22, 23 резисторного подільника напруги розраховуються таким чином, щоб напруга на резисторі 22, полярність якої є закриваючою для захисного транзистора 24, мало величину (0,7-0,8) В, тобто величину, що близька до величини сумарної відкриваючої напруги (0,7-0,8) В. Таким чином в нормальному режимі роботи напруги поміж переходами емітер-база захисного транзистора 24 має величину, яка близька до нульового значення, захисний транзистор 24 знаходиться в закритому стані і не впливає на роботу стабілізатора постійної напруги 10. У разі виникнення аварійної ситуації, а саме при суттєвому пониженні напруги мережі живлення ~Uвx нижче допустимих норм, або при обриві колекторного ланцюга силового транзистора 11, силовий транзистор 11 виходить з режиму нормальної роботи, а його коефіцієнт підсилення зменшується до нульового значення. Це призводить до збільшення базового струму силового транзистора 11, підвищення падіння напруги на резисторному датчику 21 струму перевантаження до величини, достатньої для відкриття захисного транзистора 24. Захисний транзистора 24 при цьому відкривається та шунтує вихідний ланцюг керуючого18 виводу вузла керування 14, що забезпечує призакриття узгоджуючого 12 та керуючого 13 транзисторів регулюючого елемента та зменшення вихідної напруги, струму перенавантаження додаткового діода 19, а також колекторних струмів перенавантаження узгоджуючого 12 та керуючого 13 транзисторів регулюючого елемента. Процес спрацювання захисного транзистора 24 миттєво прискорюється за рахунок того, що одночасно зі збільшенням падіння напруги на резисторному датчику 21 струму перевантаження, яке має відкриваючу полярність для захисного транзистора 24, зменшується вихідна напруга та, відповідно, зменшується і напруга на резисторі 22, яка є закриваючою для захисного транзистора 24. Тобто при виникнення аварійної ситуації, а саме при суттєвому пониженні напруги мережі живлення. ~Uвx нижче допустимих норм, або при обриві колекторного ланцюга силового транзистора 11 всі елементи схеми залишаються в робочому стані, що суттєво підвищує надійність роботи запропонованого стабілізованого силового джерела електроживлення. Таким чином запропоноване технічне рішення забезпечує можливість створити стабілізоване силове джерело електроживлення, яке одночасно має простоту схеми побудови, малу величину потужності втрат силового транзистора та підвищену величину ККД за рахунок використання додатково сформованої вхідної напруги і відповідного ввімкнення вузла керування 14, узгоджуючого 12 та керуючого 13 транзисторів регулюючого елемента, а також підвищеною надійністю роботи при виникненні аварійної ситуації за рахунок додатково введених та відповідно ввімкнених резисторного датчика струму перевантаження, резисторного подільника напруги та захисного транзистора. Експериментальні випробування підтвердили роботоздатність та позитивні якості запропонованого стабілізованого силового джерела електроживлення. В модулі живлення БП1.1.12 з вихідною напругою 5 В та вихідним струмом 5 А при достатньо простій схемі побудови отримана висока величина ККД та одночасно виключена можливість виходу з ладу елементів схеми у разі виникнення аварійних ситуацій. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Стабілізоване силове джерело електроживлення, що містить понижуючий трансформатор, вхідні виводи якого сполучені з виводами для підключення напруги мережі живлення, вихідні виводи через випрямляч з'єднані з згладжуючим індуктивно-ємнісним фільтром, вихідний вивід якого через перехід колектор-емітер силового транзистора регулюючого елемента стабілізатора постійної напруги сполучений з першим вихідним виводом для підключення споживача, а 4 UA 99026 U 5 10 15 загальний вивід сполучений з другим вихідним виводом для підключення споживача, допоміжний ланцюг напруги зміщення, що ввімкнутий поміж виходом випрямляча та другим вихідним виводом для підключення споживача і складається з послідовно сполучених додаткового діода та додаткового конденсатора, а також вузол керування, вхідний вивід якого сполучений з точкою з'єднання додаткового діода з додатковим конденсатором та колекторами керуючого та узгоджуючого транзисторів регулюючого елемента, вихідний вивід через перехід база-емітер керуючого транзистора сполучений з базою узгоджуючого транзистора, загальний вивід сполучений з другим вихідним виводом для підключення споживача, а керуючий вивід сполучений з першим вихідним виводом для підключення споживача, який відрізняється тим, що в нього додатково введені резисторний датчик струму перевантаження, резисторний подільник напруги та захисний транзистор, причому резисторний датчик струму перевантаження ввімкнутий поміж емітером узгоджуючого транзистора та базою силового транзистора регулюючого елемента, резисторний подільник напруги ввімкнутий поміж емітером узгоджуючого транзистора та другим вихідним виводом для підключення споживача, база захисного транзистора підключена до середньої точки резисторного подільника напруги, його емітер з'єднаний з емітером силового транзистора, а колектор підключений до вихідного виводу вузла керування. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5