ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является вторичный источник питания (см. Патент РФ 2342691, кл. G05F 1/56, от 26.11.2007 г.; опубликован в Бюллетене изобретений №36 от 27.12.2008 г.), содержащий коммутирующий элемент, первую первичную обмотку трансформатора, первый вывод которой соединен с первым выводом первичного источника питания, второй вывод которого соединен через первичную цепь датчика тока с первым выводом коммутирующего элемента, вход которого через последовательно соединенные генератор импульсов и пороговое устройство соединен с первым выводом выходной цепи формирователя сигнала ошибки, второй вывод которой соединен с выходом сумматора, первый вход которого соединен со вторичной цепью датчика тока, второй вход сумматора соединен с источником опорного напряжения, выводы входной цепи формирователя сигнала ошибки подключены к первой вторичной обмотке трансформатора, вторая вторичная обмотка которого подключена к нагрузке.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является ограниченный верхний диапазон входных рабочих напряжений вторичного источника питания из-за ограниченности номенклатуры КМОП транзисторов с высоким рабочим напряжением, используемых в качестве коммутирующего элемента.

Решаемой задачей является создание вторичного источника питания с расширенным верхним диапазоном входного рабочего напряжения.

Достигаемым техническим результатом является повышение входного рабочего напряжения вторичного источника питания за счет применения в коммутирующем элементе биполярных транзисторов, введения дополнительной первичной обмотки трансформатора и сервисного блока питания.

Для достижения технического результата во вторичном источнике питания, содержащем коммутирующий элемент, первую первичную обмотку трансформатора, первый вывод которой соединен с первым выводом первичного источника питания, второй вывод которого соединен через первичную цепь датчика тока с первым выводом коммутирующего элемента, вход которого через последовательно соединенные генератор импульсов и пороговое устройство соединен с первым выводом выходной цепи формирователя сигнала ошибки, второй вывод которой соединен с выходом сумматора, первый вход которого соединен со вторичной цепью датчика тока, второй вход сумматора соединен с источником опорного напряжения, выводы входной цепи формирователя сигнала ошибки подключены к первой вторичной обмотке трансформатора, вторая вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, новым является то, что дополнительно введена вторая первичная обмотка трансформатора и сервисный блок питания, первый и второй входы которого подключены к первому и второму выходу первичного источника питания, плюсовая и минусовая шины питания источника опорного напряжения, генератора импульсов и порогового устройства подключены к выходу сервисного блока питания и второму выводу первичного источника питания, соответственно, коммутирующий элемент состоит из двух биполярных транзисторов, база первого транзистора через параллельно соединенные первый резистор и конденсатор соединена с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, эмиттер первого транзистора соединен с базой второго транзистора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом первичного источника питания, эмиттер второго транзистора является первым выводом коммутирующего элемента, при этом коллекторы первого и второго транзисторов соединены между собой через ограничительный резистор и вторую первичную обмотку трансформатора, один из выводов которой соединен со вторым выводом первой первичной обмотки трансформатора.

Блок-схема заявляемого вторичного источника питания изображена на фиг.1. На фиг.2 приведена электрическая принципиальная схема одного из возможных вариантов, согласно предлагаемому изобретению. Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов 1, выход которого через резистор 4 и параллельно соединенные резистор 5 и конденсатор 6 подключен к базе транзистора 7 коммутирующего элемента 3, эмиттер транзистора 7 соединен с базой транзистора 8 и через резистор 9 соединен со вторым выводом первичного источника питания 22 (являющимся общей точкой), эмиттер транзистора 8 через резистор 38 (см. фиг.2), являющийся первичной цепью датчика тока 10, соединен со вторым выводом первичного источника питания 22, коллектор транзистора 7 через ограничительный резистор 11 и вторую первичную обмотку 17 трансформатора 15 соединен с коллектором транзистора 8, а через ограничительный резистор 11 и через первую первичную обмотку 16 трансформатора 15 соединен с первым выводом источника питания 22. Выход источника опорного напряжения 14 в варианте исполнения, согласно схемы фиг.2, через резистор 12, выполняющий функцию сумматора, соединен с выводом вторичной цепи датчика тока 10 (второй вывод разделительного конденсатора 39), с первым выводом выходной цепи формирователя сигнала ошибки 13 и первым концом первой вторичной обмотки 18 трансформатора 15, второй конец которой соединен со вторым выводом входной цепи формирователя сигнала ошибки 13, второй вывод выходной цепи которого соединен со входом порогового устройства 2. Вторая вторичная обмотка 19 трансформатора 15 подключена к нагрузке 20 - последовательному соединению диода 49 и параллельно соединенных резистора 51 и конденсатора 50. Управление генератором 1, согласно варианту фиг.2, осуществляется перепадом напряжения на его входе управления с низкого уровня на высокий. В случае использования генератора, у которого управление происходит перепадом входного напряжения с высокого уровня на низкий, необходимо использовать нечетное число n последовательно включенных инверторов в пороговом устройстве 2. Напряжение питания генератора 1, порогового устройства 2 и источника опорного напряжения 14 формируется сервисным блоком питания, состоящим из резистора 54, стабилитрона 53 и конденсаторов 52, 55, с понижением напряжения при использовании первичного источника питания с напряжением, превышающим напряжение питания используемых микросхем.

Генератор 1 выполнен на элементах «НЕ»; резисторы 23, 25 и конденсатор 24 являются времязадающими элементами (задают длительности «высокого» и «низкого» уровня сигнала на выходе генератора 1), инверторы 30-34 выполняют функцию буферного элемента. Формирователь сигнала ошибки 13 состоит из последовательно соединенных диода 44, стабилитрона 43 и конденсатора 42. Параллельно конденсатору 42 подключен резистивный делитель напряжения, состоящий из резисторов 40 и 41. Коммутирующий элемент 2 состоит из двух биполярных транзисторов с максимальным током до 400 мА и рабочим напряжением до 45 В. Датчик тока 10 выполнен на резисторе 38 и разделительном конденсаторе 39. Источник опорного напряжения 14 выполнен в виде инвертора 47, диода 46, соединяющего его выход и вход, конденсатора 48, уменьшающего выходной импеданс, и токозадающего резистора 45. Значение выходного напряжения источника опорного напряжения 14 смещено относительно напряжения переключения его инвертора 47 на величину U_cм, равную значению прямого напряжения диода 45-U_∂45, т.е. U_см=U_∂45. Пороговое устройство 2 выполнено в виде двух последовательно соединенных инверторов 35, 36. Диод 37 используется в качестве развязки между выходом порогового устройства 2 и входом генератора 1. Все инверторы, используемые в источнике опорного напряжения 14 и в пороговом устройстве 2 (47, 35, 36, см. фиг.2), выполнены в виде последовательно соединенных «р» и «n» канальных идентичных КМОП-транзисторов с объединенными попарно затворами и стоками, и вследствие этого имеют одинаковые значения напряжения переключения.

Вторичный источник питания построен по принципу обратноходового преобразователя напряжения и работает следующим образом. В исходном положении, при отключенном первичном источнике питания 22, в последовательной электрической цепи: первичные обмотки 16, 17 трансформатора 15, коммутирующий элемент 3 и первичная цепь датчика тока 10 (резистор 38, см. фиг.2) электрический ток равен нулю. Конденсаторы 24, 42, 52 и 55 разряжены, генератор 1 не работает (на его выходе отсутствуют электрические сигналы). При подключении первичного источника питания 22, его напряжение через первичные обмотки 16, 17 трансформатора 15 прикладывается к коллектору транзистора 8, а через первичную обмотку 16 и ограничительный резистор 11 к коллектору транзистора 7 ключевого элемента 3, конденсатору 55 и через резистор 54 к стабилитрону 53, конденсатору 52 и выводам "плюс" питания генератора 1, порогового устройства 2 и источника опорного напряжения 14. После достижения напряжения на конденсаторе 52 значения, обеспечивающего работоспособность инверторов 26-34, начинает работать генератор 1, создавая в цепи базы транзистора 7 коммутирующего элемента 3 последовательность импульсов тока, приводящих к периодическому чередованию двух его состояний: открытое и закрытое, что в свою очередь приводит к появлению этой последовательности импульсов тока в цепи базы транзистора 8, приводящих к периодическому чередованию двух его состояний: открытое и закрытое. Таким образом, сигнал на выходе генератора 1 имеет две фазы, определяющие два состояния транзисторов 7 и 8 коммутирующего элемента 3. В фазе открытого состояния транзисторов коммутирующего элемента 3, длительностью T_п, к электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных первичных обмоток 16 и 17 трансформатора 15, коллектор-эмиттерного перехода транзистора 8 коммутирующего элемента 3 и резистора 38 датчика тока приложено выходное напряжение U₁ первичного источника питания 22. Это приводит к появлению импульсов тока в указанной выше последовательной цепи. При этом часть тока, проходящего через первичную обмотку 16 трансформатора, необходимого для обеспечения управления (открывания) транзистором 8, проходит через ограничительный резистор 11, открытый транзистор 7, базо-эмиттерный переход транзистора 8 и резистор 38 к первичному источнику питания. Ток в первичных обмотках 16, 17 трансформатора 15 с момента перехода транзисторов коммутирующего элемента 3 в открытое состояние нарастает практически по линейному закону, достигая к концу фазы открытого состояния максимального значения I_1max , и определяется выражениями:

где I_0mах - максимальное значение тока намагничивания первичных обмоток 16 с числом витков n₁₆ и 17 с числом витков n₁₇ в конце фазы Т_п;

- приведенное значение тока коллектора транзистора 7 к первичной обмотке 16;

L₀ - индуктивность намагничивания первичных обмоток 16, 17 трансформатора 15;

R₁₁, r₁₇ - значения сопротивлений ограничительного резистора 11 и обмотки 17;

U₁ - значение напряжения первичного источника питания;

U₁₇, U_бэ8 - напряжение на концах обмотки 17 и перехода «база-эмиттер» транзистора 8 соответственно;

n₁₆, n₁₇ - число витков первичных обмоток 16, 17.

Для обеспечения насыщения транзистора 8 в режиме «прямого хода» (фаза T_п), при котором обеспечивается минимальное напряжение коммутации, значения базовых токов транзисторов 7 и 8 должны удовлетворять следующим условиям:

или

где I_ген, I_б7, I_б8 - значения выходного тока генератора 1, тока базы транзисторов 7 и 8 соответственно;

β_7min, β_8min - минимальные значения коэффициентов передачи по току транзисторов 7 и 8 соответственно.

Энергия, накопленная магнитным потоком магнитопровода трансформатора 15 в фазе прямого хода, пропорциональна квадрату значения тока намагничивания и определяется известным выражением

После импульсного перевода коммутирующего элемента в закрытое состояние в течение Т_о (обратный ход), прерывается цепь прохождения тока в первичных обмотках трансформатора 15, накопленная энергия магнитного потока передается через вторичную обмотку в нагрузку 20 и частично через обмотку обратной связи в элементы: диод 44, стабилитрон 43, резисторы 40, 41 и конденсатор 42. В отсутствие сигналов управления на входе генератора 1, энергия, накапливаемая в первичных обмотках трансформатора, должна быть больше номинальной. Процесс накопления и передачи энергии в нагрузку описан в литературе по импульсным источникам питания, например [1] Б.Ю. Семенов, "Силовая электроника", СОЛОН-Р, Москва, 2001 г., стр.216-227. Связь между параметрами нагрузки и вторичного источника питания определяется выражением:

где U_H - напряжение на нагрузке;

R_H - значение сопротивления нагрузки;

- коэффициент заполнения;

U₁ - значение напряжения первичного источника питания;

Т_о - длительность фазы "обратного хода";

Т - значение периода следования сигналов управления на входе коммутирующего элемента;

k - коэффициент трансформации (отношение числа витков вторичных обмоток трансформатора 15 к сумме числа витков его первичных обмоток).

Процесс передачи накопленной энергии магнитным потоком (в фазе T_п) нагрузке 20 проходит с участием заряда конденсатора нагрузки 50 (в фазе Т_о) и его разряда на нагрузку в течение всего периода Т=Т_п+Т_о следования сигналов на входе коммутирующего элемента. Этот процесс подробно рассмотрен в описании патента прототипа (см. патент RU 2342691 от 26.11.2007, БИ «Изобретения» №36 за 2008 г.).

В установившемся режиме энергия, запасенная в магнитном потоке сердечника трансформатора 15 за время прямого хода Т_п, после его завершения передается в конденсатор 50. Часть энергии, накопленной в конденсаторе 50, за счет его частичной разрядки в течение периода Т отдается в нагрузку 51. Значение передаваемой энергии в нагрузку 51 определяется формулой

Исходя из принципа сохранения энергии и пренебрегая в первом приближении потерями энергии на нагрев обмоток трансформатора, гистерезис при перемагничивании сердечника трансформатора 15 и в выпрямительном диоде 49 можно получить равенство

или

С учетом (9) среднее значение напряжения нагрузки 51 определяется формулой

Из выражения (10) видно, что среднее напряжение на нагрузке определяется значениями: напряжения первичного источника питания U₁, длительностью фазы открытого состояния коммутирующего элемента Т_п, сопротивления нагрузки R_н, индуктивности намагничивания первичных обмоток трансформатора L₀ и периода следования сигналов Т на управляющем входе коммутирующего элемента. При постоянстве значений Т_п и Т (отсутствуют сигналы управления на входе генератора 1), напряжение на нагрузке будет изменяться при изменении напряжения первичного источника питания и сопротивления нагрузки. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется изменением длительности Т_п - широтно-импульсная модуляция (ШИМ) посредством подачи на управляющий вход генератора 1 импульсных сигналов с выхода порогового устройства 2, который является выходом контура автоматической регулировки длительности прямого хода Т_п. В состав контура автоматической регулировки входят: формирователь сигнала ошибки 13, источник опорного напряжения 14, выходная цепь датчика тока 10 (разделительный конденсатор 39), сумматор 12 (резистор 12). Напряжение на входе порогового устройства 2 (U_вx35) определяется суммой трех составляющих: выходного напряжения источника опорного напряжения 14 (U_oпop), линейно изменяющегося во времени напряжения (U_лин), сформированного на резисторе 12 под действием выходного напряжения датчика тока 10, выходного напряжения (U_ош) формирователя сигнала ошибки 13. По достижении действующего на входе порогового устройства 2 напряжения, равного значению напряжения переключения инвертора 35 - U_пор35, на выходе порогового устройства 2 (выход инвертора 36, см. фиг.2) формируется перепад напряжения с низкого уровня на высокий. Этот перепад напряжения поступает через разделительный диод 37 на управляющий вход генератора 1, который по фронту перепада напряжения прерывает процесс формирования выходного импульса прямого хода (Т_п) и переходит в режим формирования выходного напряжения фазы «обратного хода» (Т_о) с уровнем выходного напряжения генератора равным нулю, соответствующим закрытому состоянию коммутирующего элемента 3 (транзисторы 7, 8, фиг.2). Длительность фазы Т_о и фазы Т_п (при отсутствии сигналов на управляющем входе генератора 1) определяется параметрами RC времязадающих элементов (резистор 25, конденсатор 24, фиг.2). После перехода коммутирующего элемента 3 (транзисторы 7, 8, фиг.2) в непроводящее состояние прерывается цепь тока первичных обмоток 16, 17 с уменьшением до нуля значения тока и соответственно, уменьшается до нуля напряжение на выходе датчика тока 10, что приводит к изменению суммы напряжений на входе порогового устройства 2 (вход инвертора 35) с возвратом к исходному значению на момент начала открывания коммутирующего элемента 3. При этом напряжение на выходе порогового устройства 2 (выход инвертора 36, фиг.2) также возвращается к исходному значению (не влияющему на процесс формирования выходных сигналов генератора 1). Энергия, запасенная в магнитном поле сердечника при прерывании тока в первичных обмотках 16, 17 после завершения фазы Т_п передается конденсатору 50 за счет приведенного к вторичной обмотке 19 трансформатора 15 тока намагничивания , равного

При этом импульс ЭДС вторичных обмоток 18, 19 будет определяться напряжением на конденсаторе 50, которое за счет заряда (от импульса ЭДС) и разряда на нагрузку 51 имеет переменную составляющую пульсации, значение которой может быть получено достаточно малым при соответствующем выборе конденсатора 50. В первом приближении амплитуда импульса ЭДС на выводах вторичной обмотки 19 (U₁₉) трансформатора 15 будет равна сумме среднего значения напряжения на нагрузке 51 (U_н) и прямого напряжения выпрямительного диода 49 (U_∂49):

На выводах второй вторичной обмотки 18 трансформатора 15 амплитуда импульса будет равна

Напряжение на выходе формирователя сигнала ошибки 13 U_oш выделяется на резисторе 40 (фиг.2) и равно части напряжения заряда конденсатора 42 равного, в свою очередь, разности между значениями амплитуды импульса на выводах обмотки 18 (U₁₈) и суммы напряжений стабилизации стабилитрона 43 (U_ст43) и прямого напряжения диода 44 . Указанные выше составляющие входного напряжения порогового устройства 2 определяются следующими выражениями:

где U_пор47 - пороговое напряжение инвертора 47;

, , - прямые напряжения диодов 44, 46, 49 соответственно;

U_ст43 - напряжение стабилизации стабилитрона 43;

n₁₈, n₁₉ - число витков вторичных обмоток 18, 19;

R₃₈, R₄₀, R₄₁ - значение сопротивления резистора 38 датчика тока 10, резистивного делителя напряжения 40, 41 формирователя сигнала ошибки 13 (см. фиг.2).

Формирование импульса на выходе порогового устройства 2 происходит в момент времени t=T_п, при котором сумма значений выходных напряжений источника опорного напряжения 14, датчика тока 10, формирователя сигнала ошибки 13 равна значению напряжения порога переключения U_пор порогового устройства 2 (вход инвертора 35, фиг.2):

Из условия (15) для случаев, когда имеет место равенство значений прямых напряжений диодов 44, 46, 49 (U_∂44≈U_∂46≈U_∂49) и равенство значений напряжений переключения инвертора 47 источника опорного напряжения 14 и инвертора 35 порогового устройства 2 может быть найдено выражение зависимости значения напряжения нагрузки от параметров трансформатора 15 и элементов, входящих в контур автоматической регулировки:

Из выражения для напряжения нагрузки U_н видно, что значение U_н пропорционально отношению числа витков вторичных обмоток 18, 19 трансформатора 15 и сумме значений трех членов: U_ст43, и . При этом значение первого из перечисленных выше членов в несколько раз (до 10) больше остальных. Таким образом, выбирая отношение витков вторичных обмоток 18, 19 трансформатора 15 и стабилитрон 43 с напряжением стабилизации U_ст43 можно обеспечить требуемое напряжение на нагрузке 51. Для тонкой регулировки напряжения нагрузки используется резистивный делитель напряжения - резисторы 40, 41 на выходе формирователя сигнала ошибки 13 (изменением отношения сопротивлений резисторов 40, 41 изменяется значение, указанного выше, второго члена выражения (16)). Число витков n₁₆ первичной обмотки 16 трансформатора 15 задается из условия получения требуемой индуктивности намагничивания L₀ для выполнения основного условия работы заявляемого вторичного источника питания (9). Число витков n₁₇ обмотки 17 выбирается из условия обеспечения необходимого тока базы I_б8=I₂ транзистора 8, согласно формулы (3) с учетом условия (4).

В устройстве согласно фиг.2 все элементы «НЕ» выполнены по технологии КМОП в виде единой интегральной схемы. В качестве транзисторов коммутирующего элемента используется биполярная транзисторная сборка с максимальным током до 400 мА и рабочим напряжением до 45 В. Трансформатор 15 выполнен на сердечнике из молибденового пермаллоя; стабилитроны 43, 53 выбраны с напряжением стабилизации 5,6 В.

Конденсатор 48, подключенный к выходу источника опорного напряжения 14, повышает помехоустойчивость ШИМ регулятора.

По схеме, согласно фигуре 2, изготовлены и испытаны экспериментальные образцы вторичного источника питания с выходным напряжением 4,8…5,6 В (разброс определяется разбросом U_СТ), нагрузочной способностью до 50 мА, при этом нестабильность напряжения на нагрузке не более 1%. Верхний диапазон напряжений первичного источника питания по сравнению с прототипом увеличен с 11 до 45 В.