RU1777212C - Single-ended stabilized dc voltage converter - Google Patents

Abstract

Использование: вторичные источники электропитани  аппаратуры. Сущность изобретени : повышение КПД в широком диапазоне изменени  нагрузок путем снижени  потерь в цеп х бло- кинг-генератора уменьшением частоты переключений коммутирующего транзистора . В преобразователе обеспечиваетс  отключение цепи запуска коммутирующего транзистора от источника питани  на врем  накоплени  и отда чи энергии в нагрузку и на интервале ожидани , увеличивающегос  при увеличении сопротивлени  нагрузки. 1 ил.Usage: secondary power sources of the equipment. SUMMARY OF THE INVENTION: increasing efficiency over a wide range of load changes by reducing losses in the circuits of the blocking generator by reducing the switching frequency of the switching transistor. The converter provides disconnection of the start-up circuit of the switching transistor from the power source during the accumulation and transfer of energy to the load and in the waiting interval, which increases with increasing load resistance. 1 ill.

Description

Изобретение относитс  к электронике и может быть использовано как источник вторичного электропитани .The invention relates to electronics and can be used as a source of secondary power supply.

Известны аналогичные устройства (смотри а.с.СССР N 1396219, 1988; а.с.СССР № 1365288, 1988, за вки Японии: № 59-37668, ИСМ, № 8, 1985, с.81, № 59-32992, ИСМ. № 6, 1985, с.88, № 60-31187, ИСМ, № 3, 1986, с.55), в основу которых положен принцип преобразовани  высокого питающего напр жени ,обычно выпр мленного напр жени  электрической сети 220 вольт, в одно или несколько низковольтных напр жений с помощью одно- тактного преобразовател  посто нного напр жени  (блокинг-генератора), Дл  стабилизации выходных напр жений используетс  принцип изменени  длительности импульсов, формируемых блокинг-генератором при изменении сопротивлени  нагрузки.Similar devices are known (see A.SS.SSSR N 1396219, 1988; A.S.SSSR No. 1365288, 1988, Japanese applications: No. 59-37668, ISM, No. 8, 1985, p. 81, No. 59-32992, ISM No. 6, 1985, p. 88, No. 60-31187, ISM No. 3, 1986, p. 55), which are based on the principle of converting a high supply voltage, usually the rectified voltage of an electrical network of 220 volts, into one or several low-voltage voltages using a single-phase DC-DC converter (blocking generator). To stabilize the output voltages, the principle of changing the pulse duration is used. x a blocking generator when the load resistance changes.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности  вл етс  однотактный стабилизированный преобразователь посто нного напр жени , описанный в а.с.СССР № 1396219, ИСМ, № 16, 1988, с.З1.Of the known devices, the closest in technical essence is a single-cycle stabilized constant-voltage converter described in ASCSSSR No. 1396219, ISM, No. 16, 1988, S. Z1.

Он содержит коммутирующий транзистор , импульсный трансформатор, резистор базового смешени , т.е. блокинг- генератор, работающий в автоколебательном режиме, выпр митель импульсного напр жени , емкостный накопитель и элементы цепи обоатной св зи дл  стабилизации выходного напр жени , ключевой каскад в цепи резистора запуска коммутирующего транзистора , разрывающий цепь запуска в интервалах накоплени  и отдачи энергии трансформатором.It contains a switching transistor, a pulse transformer, a basic mixing resistor, i.e. a self-oscillating blocking generator, a pulse voltage rectifier, a capacitive storage device and loopback circuit elements for stabilizing the output voltage, a key stage in the switching resistor's starting resistor circuit, breaking the starting circuit in the energy storage and transfer intervals of the transformer.

Недостатком данного устройства  вл етс  низкий КПД из-за увеличени  частоты коммутации коммутирующегоThe disadvantage of this device is the low efficiency due to the increase in the switching frequency of the switching

(Л(L

СWITH

VI VI

VIVI

VJVj

Ю YU

юYu

трсзнзистора с увеличением сопротивлени  нагрузки или в режиме холостого хода.transistor with increasing load resistance or in idle mode.

Цель изобретени  - повышение КПД однотактного стабилизированного преобразовател  посто нного напр жени  в широком диапазоне изменени  нагрузок .The purpose of the invention is to increase the efficiency of a single-cycle stabilized DC / DC converter in a wide range of load variations.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что однотактный стабилизированный преобразователь посто нного напр жени , содержащий трансформатор, первична  обмотка которого включена в коллекторную цепь коммутирующего транзистора, эмиттер которого подключен через датчик тока к общей шине питани , выходна  обмотка трансформатора через выпр митель соединена с накопительным конденсатором, с выводами дл  подключени  нагрузки и с входом блока управлени , выход которого соединен с базой регулирующего транзистора и через первый резистор подключен к эмиттеру коммутирующего транзистора, эмиттер регулирующего транзистора подключен к общей шине питани , а коллектор - к базе коммутирующего транзистора, через второй резистор и базовую обмотку трансформатора - к общей шине питани  и резистор запуска с выходом ключевого каскада, включенного последовательно с резистором запуска между базой коммутирующего транзистора и положительной шиной питани , ко входу ключевого каскада через дополнительные резисторы подключен двухполу- периодный выпр митель, выполненный по мостовой схеме и соединенный с дополнительной обмоткой трансформатора, в него введено устройство регулировани  паузы между импульсами, уменьшающее частоту коммутации коммутирующего транзистора с увеличением сопротивлени  нагрузки или в режиме холостого хода, содержащее стабилитрон, катод которого соединен с дополнитель ным резистором и анодом диода двух- полупериодного выпр мител  инверсного плеча, а анод - с первой обклад кой конденсатора, втора  обкладка конденсатора соединена с положительной шиной питани .This goal is achieved by the fact that a single-cycle stabilized DC / DC converter containing a transformer, the primary winding of which is included in the collector circuit of a switching transistor, the emitter of which is connected through a current sensor to a common power bus, the output winding of the transformer through a rectifier is connected to a storage capacitor, with terminals for connecting the load and with the input of the control unit, the output of which is connected to the base of the control transistor and through the first resistor is connected to the emitter of the switching transistor, the emitter of the control transistor is connected to the common power bus, and the collector to the base of the switching transistor, through the second resistor and the base winding of the transformer to the common power bus and the starting resistor with the output of the key stage connected in series with the starting resistor between the base a switching transistor and a positive power bus, to the input of the key stage through additional resistors is connected a two-half-wave rectifier made according to the bridge circuit connected to the additional winding of the transformer, a pause between pulses is introduced into it, which reduces the switching frequency of the switching transistor with increasing load resistance or in idle mode, containing a zener diode, the cathode of which is connected to an additional resistor and an anode of a diode of a half-wave rectified inverse arm and the anode with the first capacitor plate, the second capacitor plate is connected to the positive supply bus.

Предлагаемый однотактный стабилизированный преобразователь посто нного напр жени  отличаетс  от известного тем, что в него введено устройство регулировани  паузы между им0The proposed single-cycle stabilized DC / DC converter differs from the known one in that a pause control device between them is introduced into it

55

00

55

00

55

00

55

00

55

пульсами, уменьшающее частоту коммутации коммутирующего транзистора г. увеличением сопротивлени  нагрузки или в режиме холостого хода, содержащее стабилитрон, катод которого соединен с дополнительным резистором и анодом диода инверсного плеча двух- полупериодного выпр мител , а анод - с первой обкпадкой конденсатора, втора  обкладка конденсатора соединена с положительной шиной питани .pulses, which reduces the switching frequency of the switching transistor by increasing the load resistance or in idle mode, containing a zener diode, the cathode of which is connected to an additional resistor and the anode of the inverse diode of the inverse arm of a half-period rectifier, and the anode is connected to the first casing of the capacitor, the second capacitor lining is connected with a positive power bus.

Это позволило уменьшить частоту коммутации коммутирующего транзистора с увеличением сопротивлени  нагрузки или в режиме холостого хода путем увеличени  длительности паузы между импульсами, снизить величину среднего тока запуска коммутирующего транзистора и этим самым увеличить КПД устройства.This made it possible to reduce the switching frequency of the switching transistor with increasing load resistance or in the idle mode by increasing the pause time between pulses, reducing the average switching current of the switching transistor, and thereby increasing the efficiency of the device.

Указанные отличительные признаки предлагаемого устройства от прототипа и привод т к положительному эффекту .These distinctive features of the proposed device from the prototype and lead to a positive effect.

На чертеже представлена принципиальна  схема однотактного стабилизированного преобразовател  посто нного напр жени .The drawing shows a schematic diagram of a single-cycle stabilized DC / DC converter.

Устройство содержит трансформатор 1, первична  обмотка 2 которого включена в коллекторную цепь коммутирующего транзистора 3, эмиттер которого подключен через датчик тока k к общей шине питани , выходна  обмотка 5 трансформатора через выпр митель 6 соединена с накопительным конденсатором 7, с выводами дл  подключени  нагрузки 8 и с входом блока управлени  9, выход которого соединен с базой регулирующего транзистора 10 и через первый резистор 11 подключен к эмиттеру коммутирующего транзистора 3, эмиттер регулирующего транзистора соединен с общей шиной питани , а коллектор - с базой коммутирующего транзистора, через второй резистор 12 и базовую обмотку 13 трансформатора с общей шиной питани  и резистор запуска 1 с выходом ключевого каскада 15, включенного последовательно с резистором запуска между базой коммутирующего транзистора и положительной шиной питани , к входу ключевого каскада через дополнительные резисторы 16 подключен двухполу- периодный выпр митель 17, выполненный по мостовой схеме и соединенный с дополнительной обмоткой 18 трансформаЬ1The device comprises a transformer 1, the primary winding 2 of which is included in the collector circuit of a switching transistor 3, the emitter of which is connected via a current sensor k to a common power bus, the output winding 5 of the transformer through a rectifier 6 is connected to a storage capacitor 7, with terminals for connecting the load 8 and with the input of the control unit 9, the output of which is connected to the base of the control transistor 10 and through the first resistor 11 is connected to the emitter of the switching transistor 3, the emitter of the control transistor is connected to a common power bus, and the collector with the base of the switching transistor, through the second resistor 12 and the base winding 13 of the transformer with a common power bus and the starting resistor 1 with the output of the key stage 15 connected in series with the starting resistor between the base of the switching transistor and the positive power bus, to the input of the key stage through additional resistors 16 is connected to a two-period rectifier 17, made according to the bridge circuit and connected to the additional winding 18 of the transform

тора, катод стабилитрона 19 соединен с дополнительным резистором и анодом диода инверсного плеча двухполупери- одного выпр мител , а анод с первой обкладкой конденсатора 2С, втора  обкладка конденсатора соединена с положительной шиной питани .torus, the zener diode cathode 19 is connected to an additional resistor and the anode of the diode of the inverse arm of a two-half-one rectifier, and the anode with the first lining of the capacitor 2C, the second lining of the capacitor is connected to the positive power bus.

Функционирование однотактного стабилизированного преобразовател  посто нного напр жени .Function of a single-phase stabilized DC / DC converter.

В предлагаемом однотактном преобразователе напр жени  имеет место обратное включение выпр мительного диода б, и интервалы накоплени  энергии в трансформаторе 1 разнесены во времени с интервалами передачи накопительной энергии в нагрузку. При подключении источника электропитани  к блокинг-генератору последний начинает генерировать импульсы. Период коммутации коммутирующего транзистора 3 складываетс  из трех временных интервалов:In the proposed single-phase voltage converter, the rectifier diode b is switched back on, and the energy storage intervals in the transformer 1 are spaced in time with the transmission energy storage intervals to the load. When the power supply is connected to the blocking generator, the latter starts to generate pulses. The switching period of the switching transistor 3 is composed of three time intervals:

Т Ч + tn + t0;KT W + tn + t0; K

где tн - врем  накоплени  энергии в трансформаторе 1;where tn is the energy storage time in transformer 1;

L п - врем  передачи энергии в нагрузку;L p - time of energy transfer to the load;

t-0)tc - врем  ожидани , когда коммутирующий транзистор 3 закрыт и вс  накопленна  трансформатором энерги  передана в нагрузку. С началом формировани  каждого импульса эмиттерный ток коммутирующег транзистора 3 создает нарастающее напр жение на датчике тока 4. При определенном напр жении на датчике тока k открываетс  регулирующий транзистор 10, шунтирует базовую цепь коммутирующего транзистора 3, который запираетс . Начинаетс  передача накопленной энергии из транс- Форматора 1 через обмотку 5 и выпр митель б в накопительный конденсатор 7 и нагрузку 8. С увеличением напр жени  на накопительном конденса торе 7 до номинального значени  блок управлени  9 воздействует на управл ющий транзистор 1C и уменьшает его порог отпирани . Благодар  этому транзистор 3 отпираетс  на меньшее врем , сокращаетс  интервал th. С увеличением напр жени  на накопительном конденсаторе 7 сокращаетс  и врем  передачи анергии из трансфорПМt-0) tc is the waiting time when the switching transistor 3 is closed and all the energy accumulated by the transformer is transferred to the load. With the formation of each pulse, the emitter current of the switching transistor 3 creates an increasing voltage on the current sensor 4. At a certain voltage on the current sensor k, the control transistor 10 opens, shunts the base circuit of the switching transistor 3, which is locked. The accumulated energy begins to be transferred from transformer 1 through winding 5 and rectifier b to storage capacitor 7 and load 8. With increasing voltage at storage capacitor 7 to a nominal value, control unit 9 acts on control transistor 1C and decreases its gate threshold . Due to this, the transistor 3 is unlocked for a shorter time, the interval th is shortened. With increasing voltage at the storage capacitor 7, the time of transfer of energy from the transformer PM is also reduced.

матора 1 в накопительный компенсатор 7, т.е. сокращаетс  интервал tn.Mator 1 into storage compensator 7, i.e. the interval tn is shortened.

Ток через резистор 1 и ключевой каскад 15 протекает только в режиме запуска, а все остальное врем , т.е.The current through the resistor 1 and the key stage 15 flows only in the start mode, and the rest of the time, i.e.

на интервалах tK,on the intervals tK,

tn иtn and

-ох-Oh

черезacross

00

СWITH

00

55

00

55

00

55

них не протекает. Отсутствие токов через резистор 1 и ключевой каскад 15 на интервалах tH, tn и t0;k обеспечиваетс  воздействием цепей 1б, 17, 18, 19 и 20 путем открывани  входного транзистора ключевого каскада 15.they do not leak. The absence of currents through the resistor 1 and the key stage 15 at the intervals tH, tn and t0; k is provided by the action of circuits 1b, 17, 18, 19 and 20 by opening the input transistor of the key stage 15.

На этапе t с пр мого плеча дополнительной обмотки 18 трансформатора 1 отрицательное напр жение через нижние диод 17 и резистор 16 отпирает входной транзистор ключевого каскада 15. Запираетс  основной (выходной ) транзистор ключевого каскада 15 и ток через резистор запуска не протекает.At step t, the negative voltage through the lower diode 17 and the resistor 16 unlocks the input transistor of the key stage 15 from the forward arm of the additional winding 18 of the transformer 1. The main (output) transistor of the key stage 15 is turned off and no current flows through the start resistor.

На этапе tn отрицательное напр жение , отпирающее входной транзистор ключевого каскада 15, подаетс  с инверсного плеча дополнительной обмотки 18 трансформатора 1 через верхние диод 17 и резистор 1б. Оп ть ток через основной (выходной) транзистор ключевого каскада 15 и резистор отсутствует.At step tn, a negative voltage, which unlocks the input transistor of the key stage 15, is supplied from the inverse arm of the additional winding 18 of the transformer 1 through the upper diode 17 and the resistor 1b. Again, the current through the main (output) transistor of the key stage 15 and the resistor is absent.

На этом же этапе tn отрицательное напр жение с инверсного плеча дополнительной обмотки 18 трансформатора через верхний диод 17 прикладываетс  к последовательно включенным стабилитрону 19 и конденсатору 20. Стабилитрон отпираетс  и конденсатор 20 подзар жаетс .At the same stage tn, the negative voltage from the inverse arm of the transformer additional winding 18 is applied through the upper diode 17 to the zener diode 19 and the capacitor 20 connected in series. The zener diode is unlocked and the capacitor 20 is recharged.

По окончании этапов t H и t п воздействие на ключевой каскад 15 со стороны дополнительной обмотки 18 трансформатора 1 прекращаетс . Однако конденсатор 20, подзар женный на этапе tn, начинает разр жатьс  по цепи: верхн   обкладка конденсатора 20, переход эмиттер-база входного транзистора ключевого каскада 15 верхний резистор 16, стабилитрон 19, нижн   обкладка конденсатора 20. Так как стабилитрон 19 дл  тока разр де ) конденсатора 20 находитс  в пр мом (диодном) включении, то конденсатор 20 разр жаетс  почти полностью. Разр жающийс  конденсатор 20 удерживает входной транзистор ключевого каскада 15 в открытом состо нии, что обеспечивает закрытое состо ние основного (выходного) транзистора клю чсвого каскада 15 и отсутствие тока через резистор запуска 14. Так формируетс  этап t0. На всех этапах t4, tn и дл  обеспечени  непротекани  тока через ключевой каскад 15 и резистор запуска-14 имеетс  воздействие на ключевой каскад 15.At the end of steps t H and t p, the action on the key stage 15 from the side of the additional winding 18 of the transformer 1 is terminated. However, the capacitor 20, recharged in step tn, begins to discharge on the circuit: the upper plate of the capacitor 20, the emitter-base transition of the input transistor of the key stage 15, the upper resistor 16, the zener diode 19, the lower plate of the capacitor 20. Since the zener diode 19 is for the discharge current ) of the capacitor 20 is in the direct (diode) connection, the capacitor 20 is discharged almost completely. The discharge capacitor 20 holds the input transistor of the key stage 15 in an open state, which ensures the closed state of the main (output) transistor of the key stage 15 and the absence of current through the start resistor 14. Thus, step t0 is formed. At all stages t4, tn and to ensure that no current flows through the key stage 15 and the starting resistor-14, there is an effect on the key stage 15.

С увеличением сопротивлени  нагруз ки 8 или же при ее полном отключении (режим холостого хода) интервалы t и и t. n существенно сокращаютс  и блокинг-генератор стремитс  работать с большей частотой, что увеличивало бы потребление энергии цеп ми запуска и, как следствие снижение КПД. Кроме того, с уменьшением tH и tn длительность фронтов становитс  соизмеримой с длительностью импульсов, что увеличивает паразитный расход энергии во всех цеп х блокинг-гене- ратора.With an increase in load resistance 8 or when it is completely disconnected (idle mode), the intervals t and and t. n are significantly reduced and the blocking generator tends to operate at a higher frequency, which would increase the energy consumption of the start-up circuits and, as a consequence, decrease the efficiency. In addition, with decreasing tH and tn, the duration of the fronts becomes comparable with the duration of the pulses, which increases the parasitic energy consumption in all the circuits of the blocking generator.

Однако с увеличением сопротивлени  нагрузки 8 и увеличением, как следствие, напр жени  на накопительном конденсаторе 7 увеличиваетс  амплитуда импульсов напр жени  на выходной обмотке 5,а следовательно, и на инверсной части дополнитель- ной обмотки 18 трансформатора 1 в интервале tn передачи энергии из трансформатора 1 в накопительный конденсатор 7. Дальнейшее увеличение напр жени  на накопительном конденса торе 7 приводит к .увеличению напр жени  на конденсаторе 20, что приводит к увеличению интервала tOJ( и в конечном итоге, к снижению частоты срабатывани  блокинг-генератора. С уменьшением частоты срабатывани  блокинг-генератора уменьшаетс  паразитное потребление энергии блокинг- генератором, что увеличивает КПД устройства.However, with an increase in the load resistance 8 and an increase, as a result, of the voltage across the storage capacitor 7, the amplitude of the voltage pulses at the output winding 5 and, consequently, at the inverse part of the additional winding 18 of the transformer 1 in the interval tn of energy transfer from the transformer 1 also increases. to the storage capacitor 7. A further increase in the voltage at the storage capacitor 7 leads to an increase in the voltage at the capacitor 20, which leads to an increase in the interval tOJ (and, ultimately, to a decrease in the hour response times of the blocking generator With a decrease in the response frequency of the blocking generator, the parasitic energy consumption of the blocking generator is reduced, which increases the efficiency of the device.

Введение в устройство стабилитрон 19 с конденсатором 20 существенно увеличивает КПД преобразовател  в режимах большого сопротивлени  нагрузки или холостого хода. Проведен- The introduction of a zener diode 19 with a capacitor 20 significantly increases the efficiency of the converter in high load resistance or idle modes. Carried out

Claims (1)

ные лабораторные испытани  подтверждают изложенное. TO|C , потребл емый устройством в режиме холостого хода, с введением предлагаемых элементов, уменьшаетс  на (15-25К. Формула изобретени Numerous laboratory tests confirm the foregoing. TO | C consumed by the device in idle mode, with the introduction of the proposed elements, is reduced by (15-25K. Claims Однотактный стабилизированный прь образователь посто нного напр жени , содержащий трансформатор, первична  обмотка которого включена в коллекторную цепь коммутирующего транзистора , эмиттер которого подключен через датчик тока к общей шине питани , выходна  обмотка трансформатора через выпр митель соединена с накопительным конденсатором,с выводами дл  подключени  нагрузки и с входом блока управлени , выход которого соединен с базой регулирующего транзистора и через первый резистор подключена к эмиттеру коммутирующего транзистора, эмиттер регулирующего транзистора содинен с общей шиной питани , коллектор - с базой коммутирующего транзистора , а через второй резистор и базовую обмотку трансформатора - с общей шиной питани , и резистор запуска - с выходом ключевого каска да, включенного последовательно с резистором запуска между базой коммутирующего транзистора и положительной шиной питани , к входу ключевого каскада через дополнительные резисторы подключен двухполупериодный выпр митель, выполненный по мостовой схеме и соединенный с дополнительной обмоткой трансформатора,, отличающийс  тем, что, с целью повышени  КПД в широком диапазоне изменение нагрузок, в него введены стабилитрон и конденсатор, причем катод стабилитрона соединен с дополнительным резистором и анодом диода инверсного плеча двухполупериодного выпр мител , а анод - с первой обкладкой конденсатора, втора  обкладка конденсатора соединена с положительной шиной питани .A single-phase stabilized direct voltage generator containing a transformer, the primary winding of which is included in the collector circuit of a switching transistor, the emitter of which is connected via a current sensor to a common power bus, the output winding of the transformer through a rectifier is connected to a storage capacitor, with terminals for connecting the load and with the input of the control unit, the output of which is connected to the base of the control transistor and through the first resistor is connected to the emitter of the switching transistor RA, the emitter of the control transistor is connected to the common power bus, the collector to the base of the switching transistor, and through the second resistor and the base winding of the transformer to the common power bus, and the start resistor to the output of the key stage connected in series with the start resistor between the base of the switching a transistor and a positive power bus, to the input of the key stage through additional resistors is connected a half-wave rectifier made in a bridge circuit and connected to an additional winding transformer, characterized in that, in order to increase the efficiency in a wide range of load changes, a zener diode and a capacitor are introduced into it, the zener diode cathode connected to an additional resistor and the anode of the inverse shoulder diode of the half-wave rectifier, and the anode to the first lining of the capacitor, a second capacitor plate is connected to the positive power rail. nn