Изобретение относится к области электротехники и предназначено для использования во вторичных источниках электропитания приборов и устройств измерительной техники. Технический результат - снижение значения потребляемой активной мощности и повышение стабильности выходного напряжения. Преобразователь напряжения состоит из двух одинаковых секций узла гашения избыточного напряжения, выполненных в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора, включенных соответственно в оба провода между выводами для подключения источника питания и входами первого и второго мостовых выпрямителей, выход первого выпрямителя подключен параллельно со входом стабилизатора напряжения, а в обоих проводах на выходе второго выпрямителя введены первый и второй регулирующие элементы, которые включены последовательно со входом стабилизатора напряжения. 2 ил.
Рисунки к патенту РФ 2513185
Область техники
Бестрансформаторный преобразователь напряжения относится к области электротехники и предназначен для использования во вторичных источниках электропитания приборов и устройств измерительной техники, в частности, для питания электронных счетчиков электроэнергии, электронных вольтметров, различных реле защиты и автоматики, питаемых от контролируемой сети.
Предшествующий уровень техники
Известны источники питания (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х томах. Т.1. Пер с англ. - 4-е изд. перераб и доп. - М.: Мир, 1993. - 413 с, ил., рис.1.80), содержащие силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр, компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа, в котором регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопротивления. Наличие компенсационного стабилизатора напряжения позволяет получить стабильное напряжение питания, а наличие трансформатора позволяет получить низкую активную мощность потребления и при необходимости соединить нейтральный провод сети с общей точкой источника. Однако именно наличие трансформатора является основным недостатком таких источников, увеличивающим их габариты и стоимость.
Известен также бестрансформаторный преобразователь на МОП транзисторе (Шрайбер Г. 300 схем источников питания. Выпрямители. Импульсные источники питания. Линейные стабилизаторы и преобразователи: Пер. с франц. - М.: ДМК, 2000. - 224 с: ил. (В помощь радиолюбителю), рис.246), содержащий двухполупериодный мостовой выпрямитель, гасящий резистор, фильтр, параметрический стабилизатор на стабилитроне, источник опорного напряжения, сдвоенный операционный усилитель, регулирующий элемент и делитель напряжения сети. Принцип работы бестрансформаторного преобразователя на МОП транзисторе состоит в том, что в начале каждой полуволны выпрямленное напряжение через открытый регулирующий элемент заряжает емкостной фильтр, подключенный к нагрузке. При достижении на резисторе в делителе напряжения значения опорного напряжения операционный усилитель закрывает регулирующий элемент, и заряд емкостного фильтра прекращается. Основным недостатком такого источника питания является наличие пульсаций на выходе, ухудшающих работу большинства устройств измерительной техники, и отсутствие фиксированного потенциала одной из выходных точек относительно напряжения сети.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является бестрансформаторный источник электропитания (Описание изобретения к патенту Российской Федерации № 2077111, МПК6 Н02М 7/155, G05F 1/585, приоритет 01.06.1993. Опубликовано 10.04.1997, Бюл. № 10), в котором узел гашения избыточного напряжения состоит из двух секций с равными сопротивлениями по переменному току, причем каждая секция узла гашения избыточного напряжения выполнена в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, общая точка соединения которых подключена к соответствующему выводу для подключения источника питания, а свободные выводы конденсаторов и резисторов первой и второй секции узла гашения избыточного напряжения соединены с входами соответственно первого и второго мостовых выпрямителей, при этом выходы первого и второго мостовых выпрямителей соединены согласно и параллельно и подключены через фильтр к стабилизатору напряжения. Стабилизатор напряжения выполнен двухступенчатым, в котором первая ступень стабилизатора выполнена на стабилитроне, а вторая ступень стабилизатора содержит задающий элемент на стабилитроне, узел стабилизации тока задающего элемента и операционный усилитель, питаемый от первой ступени. Инвертирующий вход операционного усилителя через первый резистор соединен с выводом для подключения первой нагрузки, а через второй резистор соединен с выводом для подключения второй нагрузки, соединенным также с выходным выводом узла стабилизации тока задающего элемента, неинвертирующий вход усилителя через третий и четвертый резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам для подключения источника питания, выход операционного усилителя подключен к выводу для подключения первой нагрузки. В бестрансформаторном источнике электропитания с двухступенчатым стабилизатором обеспечивается высокая стабильность напряжения питания и фиксация потенциала одной из выходных клемм относительно точки «искусственный нуль» с потенциалом половины питающего напряжения сети, а основным недостатком такого источника электропитания является большая активная мощность потребления.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание бестрансформаторного преобразователя напряжения с двухполупериодным выпрямителем и фиксацией потенциала одной из выходных точек относительно напряжения сети, в котором снижено значение потребляемой активной мощности и повышена стабильность выходного напряжения.
Поставленная задача решается в бестрансформаторном преобразователе напряжения, содержащем две секции узла гашения избыточного напряжения с равными сопротивлениями по переменному току, два двухполупериодных выпрямителя, фильтр, два регулирующих элемента, два операционных усилителя и стабилизатор напряжения, причем каждая секция узла гашения избыточного напряжения выполнена в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенных общей точкой к соответствующему выводу для подключения источника питания, свободные выводы конденсаторов обеих секций и резисторов обеих секций узла гашения избыточного напряжения соединены соответственно с входами первого и второго мостовых выпрямителей; выход первого выпрямителя соединен через фильтр параллельно и согласно со входом стабилизатора напряжения, выход второго выпрямителя соединен через последовательно и согласно включенные в первом и во втором проводах соответственно введенные первый и второй регулирующие элементы со входом стабилизатора напряжения, причем первый регулирующий элемент выполнен на n-канальном МОП транзисторе обедненного типа или n-канальном полевом транзисторе, второй регулирующий элемент выполнен на р-канальном полевом транзисторе; стабилизатор напряжения выполнен двухступенчатым, в котором первая ступень содержит первый и второй узлы, включенные согласно и параллельно, первый узел выполнен в виде последовательного соединения первого стабилитрона и введенного первого резистора, введенный второй узел выполнен в виде последовательного соединения второго стабилитрона и второго резистора, причем общая точка соединения катода первого стабилитрона в первом узле и второго резистора во втором узле подключена к первому проводу на выходе первого мостового выпрямителя, соединенному также с истоком первого n-канального МОП транзистора обедненного типа, общая точка соединения анода второго стабилитрона во втором узле и первого резистора в первом узле подключена ко второму проводу на выходе первого мостового выпрямителя, соединенному также с истоком второго р-канального полевого транзистора; сток первого n-канального МОП транзистора обедненного типа и сток второго р-канального полевого транзистора подключены соответственно к первому и второму проводам на выходе второго выпрямителя; первым n-канальным МОП транзистором обедненного типа управляет введенный первый операционный усилитель, выводы питания которого подключены к выводам первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора, инвертирующий вход первого усилителя через введенные третий и четвертый резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам первого стабилитрона, неинвертирующий вход первого усилителя через резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам для подключения источника питания, выход первого усилителя подключен к управляющему затвору первого n-канального МОП транзистора обедненного типа; вторым р-канальным полевым транзистором управляет введенный второй операционный усилитель, выводы питания которого подключены к выводам второго стабилитрона во втором узле первой ступени стабилизатора, инвертирующий вход второго усилителя подключен к выходу введенного источника опорного напряжения, неинвертирующий вход второго усилителя подключен к общей точке соединения анода первого стабилитрона и первого резистора в первом узле первой ступени стабилизатора, выход второго усилителя подключен к управляющему затвору второго р-канального полевого транзистора; вторая ступень стабилизатора выполнена по схеме последовательного стабилизатора напряжения и состоит из задающего элемента на стабилитроне, узла стабилизации тока задающего элемента и операционного усилителя, питаемого с выхода первой ступени стабилизатора, а именно, питаемого от первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора, неинвертирующий вход усилителя во второй ступени стабилизатора соединен с неинвертирующим входом введенного первого усилителя, подключенного также через резисторы с равными сопротивлениями к выводам для подключения источника питания, инвертирующий вход усилителя во второй ступени стабилизатора подключен через резисторы к выводам для подключения первой и второй нагрузок, вывод для подключения второй нагрузки соединен также с выходным выводом узла стабилизации тока задающего элемента, выход усилителя во второй ступени стабилизатора подключен к выводу для подключения первой нагрузки.
Именно за счет выполнения узла гашения избыточного напряжения в виде двух одинаковых секций с равными сопротивлениями по переменному току, выполненных в виде последовательного соединения конденсатора и резистора, включенных соответственно в оба провода между выводами для подключения источника питания и входами первого и второго мостовых выпрямителей, введения в обоих проводах на выходе второго мостового выпрямителя последовательно со входом стабилизатора напряжения первого и второго регулирующих элементов, которыми управляют соответственно введенные первый и второй операционные усилители, выполнения стабилизатора напряжения двухступенчатым, первая ступень которого состоит из включенных согласно и параллельно первого и второго узлов, содержащих соответственно первый и второй стабилитроны, от которых питаются соответственно первый и второй операционные усилители, введения соответствующих резисторов и источника опорного напряжения, а также выполнения второй ступени стабилизатора с узлом стабилизации тока задающего элемента на стабилитроне и операционным усилителем, питаемым от первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора, с вышеуказанным соединением элементов между собой и с другими элементами схемы осуществляется двухполупериодное выпрямление, предварительная симметрия выходного напряжения в первой ступени стабилизатора и фиксация потенциала одной из выходных клемм заявляемого устройства во второй ступени стабилизатора относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения сети, уменьшается активная мощность потребления, повышается стабильность выходного напряжения.
Действительно, введение первого и второго регулирующих элементов, выполняющих функцию управляемых балластных сопротивлений, уменьшает ток в цепях с гасящими резисторами, что приводит к снижению активной мощности потребления.
Разбиение узла гашения избыточного напряжения на две секции и синхронное изменение сопротивления первого регулирующего элемента, управляемого первым операционным усилителем, относительно изменения сопротивления второго регулирующего элемента обеспечивает предварительную симметрию выходного напряжения первой ступени стабилизатора относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения сети, а применение операционного усилителя во второй ступени стабилизатора, питаемого от первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора, позволяет отследить потенциал одной из выходных клемм устройства относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения сети.
Введение первого резистора в первом узле первой ступени стабилизатора, а также источника опорного напряжения и второго операционного усилителя, который управляет вторым регулирующим элементом, позволяет поддерживать в первом узле первой ступени стабилизатора входной постоянный ток, равный отношению эталонного опорного напряжения к сопротивлению первого резистора, и снизить пульсации напряжения на выходе первой ступени стабилизатора, а именно, снизить пульсации напряжения на первом стабилитроне в первом узле первой ступени стабилизатора, от которого питается операционный усилитель во второй ступени стабилизатора.
Выполнение второй ступени стабилизатора с узлом стабилизации тока задающего элемента позволяет исключить пульсации выходного напряжения, вызванные некоторым смещением выходного напряжения первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения сети.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство содержит две одинаковые секции 1 узла 2 гашения избыточного напряжения, два мостовых выпрямителя 3 и 4, фильтр 5, стабилизатор напряжения 6, введены два регулирующих элемента, причем первый регулирующий элемент выполнен на n-канальном МОП транзисторе 7 обедненного типа (или n-канальном полевом транзисторе), второй регулирующий элемент выполнен на р-канальном полевом транзисторе 8, введены первый операционный усилитель 9 и второй операционный усилитель 10.
Секции 1 узла 2 гашения избыточного напряжения, состоящие из конденсатора 11 и резистора 12, подключены с одной стороны к клеммам 13 и 14 для подключения сети, а с другой стороны подключены к входам мостовых выпрямителей 3 и 4, причем конденсаторы 11 подключены к входу первого мостового выпрямителя 3, а резисторы 12 подключены к входу второго мостового выпрямителя 4.
Выход первого мостового выпрямителя 3 через фильтр 5 включен согласно и параллельно с входом стабилизатора напряжения 6.
Стабилизатор напряжения 6 выполнен двухступенчатым. Первая ступень стабилизатора напряжения 6 содержит первый узел 15 и второй узел 16, которые включены согласно и параллельно. Первый узел 15 выполнен в виде последовательного соединения стабилитрона 17 и введенного первого резистора 18. Введенный второй узел 16 выполнен в виде последовательного соединения стабилитрона 19 и резистора 20.
В первом и во втором проводах на выходе второго мостового выпрямителя 4 включены согласно и последовательно со входом стабилизатора напряжения 6 соответственно транзисторы 7 и 8. Сток транзистора 7 подключен к первому проводу на выходе второго выпрямителя 4. Исток транзистора 7 подключен к общей точке соединения катода стабилитрона 17 в первом узле 15 и резистора 20 во втором узле 16 первой ступени стабилизатора 6, а также к первому проводу на выходе первого выпрямителя 3.
Сток транзистора 8 подключен ко второму проводу на выходе второго выпрямителя 4. Исток транзистора 8 подключен к общей точке соединения резистора 18 в первом узле 15 и анода стабилитрона 19 во втором узле 16 первой ступени стабилизатора 6, а также ко второму проводу на выходе первого выпрямителя 3.
Выводы питания операционного усилителя 9 подключены к стабилитрону 17, неинвертирующий вход усилителя 9 через резисторы 21 и 22 с равными сопротивлениями подключен к клеммам 13 и 14 для подключения сети, инвертирующий вход усилителя 9 через введенные резисторы 23 и 24 с равными сопротивлениями подключен к выводам стабилитрона 17 в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6, а выход усилителя 9 подключен к управляющему затвору транзистора 7.
Выводы питания операционного усилителя 10 подключены к стабилитрону 19, инвертирующий вход усилителя 10 подключен к выходу источника опорного напряжения 25, выполненного на стабилитроне 26 и ограничительном резисторе 27, неинвертирующий вход усилителя 10 подключен к общей точке соединения анода стабилитрона 17 и резистора 18 в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6, выход усилителя 10 подключен к управляющему затвору транзистора 8.
Вторая ступень стабилизатора напряжения 6 выполнена по известной схеме последовательного стабилизатора напряжения и состоит из задающего элемента на стабилитроне 28, узла 29 стабилизации тока задающего элемента, выполненного на транзисторе 30, резисторах 31, 32, 33 и диоде 34, эмиттерного повторителя на транзисторе 35.
Во второй ступени стабилизатора 6 содержится также операционный усилитель 36, питаемый от стабилитрона 17 в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6. Неинвертирующий вход усилителя 36 через резисторы 21 и 22 с равными сопротивлениями подключен к клеммам 13 и 14 для подключения сети, инвертирующий вход усилителя 36 подключен через резисторы 37 и 38 к выходным клеммам 39 и 40 соответственно, выход операционного усилителя 36 подключен к выходной клемме 39.
Кроме того, для ограничения максимального падения напряжения между стоком и истоком транзистора 7 подключен резистор 41, а между стоком и истоком транзистора 8 подключен резистор 42. Резисторы 41 и 42 выбираются с равными сопротивлениями.
Принцип работы устройства состоит в следующем.
Входное напряжение сети подается на клеммы 13 и 14 устройства, понижается на конденсаторах 11 и резисторах 12 в обеих секциях 1 узла 2 гашения избыточного напряжения, выпрямляется на первом и втором двухполупериодных выпрямителях 3 и 4, а также понижается на первом и втором транзисторах 7 и 8, которыми управляют соответственно первый и второй операционные усилители 9 и 10, после чего сглаживается фильтром 5, стабилизируется в двухступенчатом стабилизаторе 6 и поступает на выходные клеммы 39 и 40.
Первая ступень стабилизатора 6 содержит параллельно включенные узлы 15 и 16, в которых стабилитроны 17 и 19 выбираются с равными напряжениями стабилизации, а сопротивление резистора 18 выбирается значительно меньше сопротивления резистора 20, поэтому входной ток в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6 значительно больше, чем во втором узле 16.
Входной ток в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6 равен сумме выпрямленных токов с выходов первого и второго выпрямителей 3, 4 и сдвинутых по фазе на 90° относительно друг друга. Сдвиг тока по фазе на выходе первого выпрямителя 3 относительно тока на выходе второго выпрямителя 4 образован благодаря сдвигу тока в конденсаторе 11 на 90° относительно тока в резисторе 12. На выходе первого выпрямителя 3 протекает двухполупериодный выпрямленный ток, мгновенное значение которого пропорционально сопротивлению конденсаторов 11, а на выходе второго выпрямителя 4 протекает выпрямленный ток, мгновенное значение которого пропорционально сумме сопротивлений резисторов 12 и изменяющихся сопротивлений транзисторов 7 и 8, играющих роль управляемых балластных сопротивлений.
Изменением сопротивления транзистора 8 управляет операционный усилитель 10, который работает по принципу обратной связи. Напряжение на резисторе 18, пропорциональное входному току в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6, поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 10 и сравнивается с эталонным значением опорного напряжения на стабилитроне 26, поступающим на инвертирующий вход операционного усилителя 10. При изменении мгновенного значения напряжения сети с выхода операционного усилителя 10 подается управляющее напряжение на затвор транзистора 8, изменяя его сопротивление так, что падение напряжения на резисторе 18 в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6 поддерживается на уровне эталонного напряжения, задаваемого стабилитроном 26. То есть при номинальном действующем значении напряжения сети входной ток в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6, проходящий через резистор 18 и стабилитрон 17 без подключения нагрузки, стремится иметь постоянное значение, равное отношению эталонного напряжения на стабилитроне 26 к сопротивлению резистора 18. Таким образом, поддержание постоянного значения величины входного тока в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6 позволяет снизить пульсации напряжения на стабилитроне 17, от которого питается операционный усилитель 36 во второй ступени стабилизатора 6.
Одновременно с изменением сопротивления транзистора 8 синхронно изменяется сопротивление транзистора 7. Изменением сопротивления транзистора 7 управляет операционный усилитель 9, который работает по принципу обратной связи. Если потенциал общей точки соединения резисторов 21 и 22 в делителе сетевого напряжения пополам рассматривать как потенциал точки «искусственный нуль», то синхронное изменение сопротивления транзистора 7 относительно изменения сопротивления транзистора 8 обеспечивается, когда потенциал общей точки соединения резисторов 23 и 24 с равными сопротивлениями в делителе выходного напряжения на стабилитроне 17 первого узла 15 первой ступени стабилизатора 6 равен потенциалу точки «искусственный нуль».
Потенциал общей точки соединения резисторов 23 и 24 поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 9 и сравнивается с потенциалом точки «искусственный нуль» на неинвертирующем входе операционного усилителя 9, а управляющее напряжение с выхода операционного усилителя 9 поступает на затвор транзистора 7, изменяя его сопротивление так, что потенциал общей точки соединения резисторов 23 и 24 стремится фиксироваться относительно потенциала «искусственного нуля». Таким образом, обеспечивается предварительная симметрия выходного напряжения на стабилитроне 17 в первой ступени стабилизатора 6 относительно точки «искусственный нуль».
Во второй ступени стабилизатора 6 операционный усилитель 36, питаемый от стабилитрона 17, по принципу обратной связи фиксирует потенциал средней точки резисторов 37 и 38 в делителе выходного напряжения относительно точки «искусственный нуль» при смене полярности входного питающего напряжения сети и других дестабилизирующих факторах. Кроме того, для исключения зависимости выходного напряжения стабилизатора 6, связанной с возможным изменением тока в стабилитроне 28 при изменении напряжения между катодами стабилитронов 17 и 28, применяется узел 29 стабилизации тока в стабилитроне 28 на базе схемы токового зеркала с элементами 30, 31, 32, 33, 34, в которой ток коллектора транзистора 30 не зависит от напряжения коллектор-база.
При равных резисторах 37 и 38 выходное напряжение источника на клеммах 39 и 40 оказывается симметричным относительно «искусственного нуля». Если резистор 37 закоротить, то потенциал клеммы 39 будет равен «искусственному нулю».
Для ограничения максимального падения напряжения между стоком и истоком транзистора 7 включен резистор 41, а между стоком и истоком транзистора 8 включен резистор 42. Резисторы 41 и 42 выбираются с равными сопротивлениями.
Так как р-канальные полевые транзисторы 7 имеют низкое напряжение пробоя, то второй регулирующий элемент может быть выполнен также на р-канальном МОП транзисторе.
На фиг.2 показан фрагмент принципиальной электрической схемы с применением в качестве второго регулирующего элемента р-канального МОП транзистора 43, которым управляет операционный усилитель 10. В этом случае вводится интегральный конвертор 44 напряжения, входные выводы которого подключаются параллельно стабилитрону 19, и конденсаторы 45 и 46. Выводы питания операционного усилителя 10 подключаются, соответственно, к катоду стабилитрона 19 и к выводу конвертора 44 с отрицательной полярностью выходного напряжения.
Промышленная применимость.
Испытания макетных образцов предлагаемого устройства подтвердили его полную работоспособность, решение поставленной задачи и возможность промышленной применимости.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Бестрансформаторный преобразователь напряжения, содержащий две одинаковые секции узла гашения избыточного напряжения с равными сопротивлениями по переменному току, каждая секция узла гашения избыточного напряжения выполнена в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенных общей точкой к соответствующему выводу для подключения источника питания, свободные выводы конденсаторов обеих секций и свободные выводы резисторов обеих секций узла гашения избыточного напряжения соединены соответственно с входами первого и второго мостовых выпрямителей, выходы первого и второго мостовых выпрямителей включены согласно и параллельно и подключены через фильтр к стабилизатору напряжения, стабилизатор напряжения выполнен двухступенчатым с узлом стабилизации тока задающего элемента на стабилитроне и операционным усилителем, питаемым от первой ступени стабилизатора, неинвертирующий вход усилителя через резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам для подключения источника питания, инвертирующий вход усилителя через резисторы соединен с выводами для подключения первой и второй нагрузок, вывод для подключения второй нагрузки соединен также с выходным выводом узла стабилизации тока задающего элемента, выход операционного усилителя подключен к выводу для подключения первой нагрузки, отличающийся тем, что выход второго мостового выпрямителя соединен через последовательно и согласно включенные в первом и во втором проводах соответственно введенные первый и второй регулирующие элементы со входом двухступенчатого стабилизатора напряжения, причем первый регулирующий элемент выполнен на n-канальном полевом транзисторе, а второй регулирующий элемент выполнен на р-канальном полевом транзисторе, первая ступень стабилизатора состоит из первого и второго узлов, включенных согласно и параллельно, первый узел стабилизатора выполнен в виде последовательного соединения первого стабилитрона и введенного первого резистора, введенный второй узел стабилизатора выполнен в виде последовательного соединения второго стабилитрона и второго резистора, причем общая точка соединения катода первого стабилитрона в первом узле и второго резистора во втором узле первой ступени стабилизатора подключена к истоку первого n-канального полевого транзистора, соединенному также с первым проводом на выходе первого мостового выпрямителя, общая точка соединения первого резистора в первом узле и анода второго стабилитрона во втором узле первой ступени стабилизатора подключена к истоку второго р-канального полевого транзистора, соединенному также со вторым проводом на выходе первого мостового выпрямителя, сток первого n-канального и сток второго р-канального полевых транзисторов подключены соответственно к первому и второму проводам на выходе второго мостового выпрямителя, управляющий затвор первого n-канального полевого транзистора подключен к выходу введенного первого операционного усилителя, выводы питания которого, а также выводы питания операционного усилителя во второй ступени стабилизатора, подключены к выводам первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора, инвертирующий вход первого усилителя через введенные третий и четвертый резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора, неинвертирующий вход первого усилителя соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя во второй ступени стабилизатора, а также подключен через резисторы с равными сопротивлениями к выводам для подключения источника питания, управляющий затвор второго р-канального полевого транзистора подключен к выходу введенного второго операционного усилителя, выводы питания которого подключены к выводам второго стабилитрона во втором узле первой ступени стабилизатора, неинвертирующий вход второго усилителя подключен к общей точке соединения анода первого стабилитрона и первого резистора в первом узле первой ступени стабилизатора, инвертирующий вход второго усилителя подключен к выходу введенного источника опорного напряжения.
Хотим уделить также внимание бестрансформаторным преобразователям напряжения . Принцип работы практически такой же. Разница лишь в конструктивном исполнении выходного каскада. С одной стороны, убрав импульсный трансформатор, схема преобразователя напряжения заметно упрощается, уменьшаются габариты и вес. Но с другой – при бестрансформаторном способе отсутствует гальваническая развязка от аккумулятора и для реализации двуполярного питания необходимо собирать две схемы. Также затруднено получение на выходе бестрансформаторного преобразователя напряжения большего по сравнению с входящим напряжения. Обычно в бестрансформаторных вариантах Uвх?Uвых (но не всегда, в зависимости от топологии).
Такие преобразователи напряжения собираются на современной элементной базе и также содержат ШИМ - контроллеры с выходными каскадами на мощных транзисторах для обеспечения повышенной максимально допустимой силы тока. Отличительной чертой современных ШИМ контроллеров для сборки на их базе бестрансформаторных преобразователей напряжения является широкий диапазон питающих напряжений.
В рамках нашей сегодняшней статьи рассмотрим ШИМ контроллеры LM5088 и LM3488 . ШИМ - контроллер LM5088 конца 2008 года выпуска, а LM3488 значительно моложе – конец 2010 года. На вход преобразователя напряжения в первом случае можно подавать от 4,5 до 75 вольт, во втором – от 2,97 до 40 вольт. Устройство рассчитывается на любое выходное напряжение относительно входного по формулам. В зависимости от этого подбираются номиналы применяемых радиодеталей. Приведенные ШИМ контроллеры обеспечивают высокий выходной ток преобразователя, который составляет 10 ампер.
Частота LM5088 задается в диапазоне от 50 кГц до 1 МГц. КПД очень высокий – 97%. ШИМ - контроллер LM5088 выпускается в двух исполнениях:
Упрощенная на LM5088:
Назначение некоторых выводов:
VIN – питающее напряжение в диапазоне 4,5…75 В;
EN – если напряжение на контакте ниже 0,4 вольт, преобразователь не работает; если в диапазоне 0,4…1,2 В – LM5088 находится в режиме ожидания; если выше 1,2 вольт – ШИМ контроллер выполняет свои функции в полном объеме. Таим образом, делителем напряжения может быть установлен порог отключения преобразователя напряжения;
SS – вывод для плавного пуска;
RAMP – используется для режима управления. Конденсатор Cramp рекомендуется выбирать из диапазона 100…2000 пФ;
RT/SYNC – задающий генератор частоты – частотный диапазон выбирается подбором резистора Rrt и лежит в диапазоне 50 кГц – 1 МГц;
GND – земля;
COMP – выходной вывод усилителя ошибки – составляет петлю с выводом FB;
FB – вывод для сигнала обратной связи – соединен с инвертирующим входом усилителя ошибки, регулирует порог в 1,205 вольт;
OUT – выходное (снимаемое) напряжение;
SW – коммутационный узел – подключается к выходу силового транзистора;
HG – подключается ко входу силового транзистора;
BOOT – вход для стартерного конденсатора – конденсатор подключается между SW и BOOT выводами, чтобы обеспечить переключение MOSFET транзистора;
VCC – выход смещающего регулятора – Cvcc – керамический разделительный конденсатор номиналом 0,1…10 мкФ.
Готовая схема бестрансформаторного преобразователя напряжения на LM5088, рассчитанная на выходное напряжение 5 вольт и ток до 7 ампер:
Чтобы рассчитать устройство на другое напряжение и ток, можно воспользоваться либо формулами из datasheet, либо специальным калькулятором .
Частота LM3488 задается в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц с помощью одного внешнего резистора. Данный ШИМ – контроллер значительно проще и меньше по габаритам и представляет собой 8-ми контактную микросхему.
Назначение выводов аналогичное, что и у ШИМ LM5088. Более подробные технические характеристики LM3488, как базового компонента бестрансформаторного преобразователя напряжения , а также различные диаграммы зависимостей напряжения, тока и частоты можно посмотреть в datasheet .
Также можно в качестве примера привести схемы уже готовых бестрансформаторных преобразователей напряжения на LM3488. Первый с входным напряжением 3…24 В, а выходное 5 вольт – 1 ампер; второй с входным – 3,3 вольта, а выходным – 5 вольт – 2 ампера. Третья схема, мне кажется, более ходовая и обеспечивает на выходе 12 вольт – 1,5 ампера при входном напряжении 4,5…5,5 В.
Вид двухсторонней печатной платы для последней схемы преобразователя напряжения таков:
Но основная ценность ШИМ – контроллера LM3488 в том, что на его базе можно собрать отличный источник питания (точнее посредник, т.е. бестрансформаторный преобразователь) для усилителей мощности звуковой частоты. Нами были рассчитаны номиналы радиодеталей для схемы бестрансформаторного преобразователя напряжения , который может быть использован для питания популярного УМЗЧ на TDA7294 . В качестве источника тока применяется автомобильный аккумулятор на 12 вольт. Все данные ниже на рисунках.
Выбирая доступные микросхемы для основы бестрансформаторного (и бездроссельного) , остановимся на двух наиболее популярных - это NE555 таймер и аудиоусилитель ОУ LM386 . В этой статье мы проведём эксперименты с целью определить возможности каждой из них в этих функциях. Биполярные таймеры NE555 широко используются в генераторах различных преобразователей постоянного напряжения, и наиболее часто в инверторных схемах. Впрочем, еще одна очень популярная микросхема - LM386, может быть хорошим решением в данном устройстве. Следует сразу отметить, что результаты также зависят от конкретного производителя этих чипов и от качества сопутствующих компонентов. Мы будем использовать только диоды Шоттки, чтобы свести потери напряжения до минимума.
Базовое сравнение NE555 и LM386
- Диапазон напряжений питания NE555 простирается от 4.5 до 16 В, но при ее использовании вблизи максимальных значений на высокой частоте могут быть проблемы. Полный диапазон напряжений питания LM386N1 составляет от 4 до 15 В, и полный диапазон напряжений питания LM386N4 - от 4 до 22 В. Таким образом, LM386N4 имеет преимущество над NE555 уже в том, что она может работать с более высоким входным напряжением питания. Потребляемый ток NE555 обычно 3-6 мА, а LM386 обычно 4 - 8 мА - здесь у NE555 имеется небольшое преимущество.
- Максимальный выходной ток NE555 указан по паспорту 200 мА, а напряжение падает через выходные транзисторы около 2 В при ±100 мА, что делает использование её при более высоких токах малоэффективным. Для сравнения, максимальный выходной ток LM386 гораздо выше выше чем у NE555, поскольку LM386N1 имеет 0.7W выход при питании от 9 В и нагрузке 8 Ом, а LM386N4 - 1 Вт при 16 В. Эти результаты основаны на классической формуле для усилителей класса AB с использованием максимального размаха выходного напряжения и пикового выходного тока.
- Максимальная мощность рассеяния NE555 в корпусе dip8 составляет всего 600 МВт, в то время как для LM386 1,25 Вт. Здесь операционный усилитель имеет значительное преимущество по сравнению с таймером.
Практические эксперименты
Для наших тестов входное напряжение питания возьмём 10 вольт. Частота DC-DC преобразователей будет установлена на уровне около 25 кГц (Т = 40 МКС), которая значительно ниже, чем их максимально возможные рабочие частоты. Точки A и B на схемах с LM386 могут быть использованы, чтобы управлять генерацией. В схеме все резисторы 0,25 Вт, ±5%, и все не электролитические конденсаторы 30 В, ±10%, керамика.
Сравнение преобразователей в различных схемах
Удвоение напряжения по плюсу питания
На схемах удвоения используется преобразователь на NE555 как простой генератор с триггером Шмитта. Частота Задается R1 и С1, с легкой зависимостью от тока нагрузки. Преобразователь на рисунке ниже основан на LM386.
Таблица 1 сравнивает выходные напряжения преобразователей на нескольких различных нагрузочных сопротивлениях. Видно, что LM386 обеспечивает более высокие напряжения при больших токах нагрузки. Это ожидаемо, поскольку выходной каскад LM386 обеспечивает больший максимальный выходной ток и имеет более низкое падение напряжения.
Инвертирование к плюсу питания
Таблица 2 сравнивает выходное напряжение на нескольких различных нагрузочных сопротивлениях для инвертирующего с положительным полюсом источника питания NE555 и LM386. Снова аудиоусилитель LM386 смог обеспечить больше мощности в нагрузке.
Удвоение и инвертирование к плюсу питания
Мы можем объединить предыдущие схемы преобразователей и разработать конструкцию, которая производит два выходных напряжения. Схема на NE555 обеспечивает меньший суммарный выходной ток и мощность по сравнению со схемой с использованием ОУ LM386. Вывод - LM386 имеет заметные преимущества по сравнению с NE555.
в настоящей главе в первую очередь будут рассмотрены бестрансформаторные преобразователи напряжения, как правило, состоящие из генератора прямоугольных импульсов и умножителя напряжения. Обычно таким образом удается повысить без заметных потерь напряжение не более чем в несколько раз, а также получить на выходе преобразователя напряжение другого знака. Ток нагрузки подобных преобразователей крайне невелик - обычно единицы, реже десятки мА.
Задающий генератор бестрансформаторных преобразователей напряжения может быть выполнен по типовой схеме, базовый элемент 1 которой (рис. 1.1) выполнен на основе симметричного мультивибратора. В качестве примера элементы блока могут иметь следующие параметры: R1=R4=1 кОм; R2=R3=10 кОм; С1=С2=0,01 мкФ. Транзисторы - маломощные, например, КТ315. Для повышения мощности выходного сигнала использован типовой блок усилителя 2.
Рис. 1.1. Схемы базовых элементов бестрансформаторных преобразователей: 1 - задающий генератор; 2 - типовой блок усилителя
Бестрансформаторный преобразователь напряжения состоит из двух типовых элементов (рис. 1.2): задающего генератора 1 и двухтактного ключа-усилителя 2, а также умножителя напряжения (рис. 1.1, 1.2). Преобразователь работает на частоте 400 Гц и обеспечивает при напряжении питания 12,5 В выходное
напряжение 22 В при токе нагрузки до 100 мА (параметры элементов: R1=R4=390 Ом, R2=R3=5,6 кОм, С1=С2=0,47 мкФ). В блоке 1 использованы транзисторы КТ603А - Б; в блоке 2 - ГТ402В{Г) и ГТ404В{Г).
Схема бестрансформаторного преобразователя с удвоением напряжения
Схемы преобразователей напряжения на основе типового блока
Преобразователь напряжения , построенный на основе типового блока, описанного выше (рис. 1.1), можно применить для получения выходных напряжений разной полярности так, как это показано на рис. 1.3.
Для первого варианта на выходе формируются напряжения -1-10 Б и -10 Б; для второго - -1-20 Б и -10 Б при питании устройства от источника напряжением 12 Б.
Для питания тиратронов напряжением примерно 90 Б применена схема преобразователя напряжения по рис. 1.4 с задающим генератором 1 и параметрами элементов: R1=R4=1 кОм,
R2=R3=10 кОм, С1 =С2=0,01 мкФ . Здесь могут быть использованы широко распространенные маломощные транзисторы. Умножитель имеет коэффициент умножения 12 и при имеющемся напряжении питания можно было бы ожидать на выходе примерно 200 В, однако реально из-за потерь это напряжение составляет всего 90 В, и величина его быстро падает с увеличением тока нагрузки.
Рис. 1.4. Схема преобразователя напряжения с многокаскадным умножителем
Рис. 1.5. Схема инвертора напряжения
Для получения инвертированного выходного напряжения также может быть использован преобразователь на основе типового узла (рис. 1.1). На выходе устройства (рис. 1.5) образуется напряжение, противоположное по знаку напряжению питания . По абсолютной величине это напряжение несколько ниже напряжения питания, что обусловлено падением напряжения (потерями напряжения) на полупроводниковых элементах. Чем ниже напряжение питания схемы и чем выше ток нагрузки, тем больше эта разница.
Преобразователь (удвоитель) напряжения (рис. 1.6) содержит задающий генератор 1 (1 на рис. 1.1), два усилителя 2 (2 на рис. 1.1) и выпрямитель по мостовой схеме (VD1 -VD4) .
Блок 1: R1=R4=100 Ом; R2=R3=10 кОм; С1=С2=0,015 мкФ, транзисторы КТ315.
Известно, что мощность, передаваемая из первичной цепи во вторичную, пропорциональна рабочей частоте преобразования, поэтому одновременно с ее ростом уменьшаются емкости конденсаторов и, следовательно, габариты и стоимость устройства.
Данный преобразователь обеспечивает выходное напряжение 12 Б (на холостом ходу). При сопротивлении нагрузки 100 Ом выходное напряжение снижается до 11 Б; при 50 Ом - до 10 Б; а при 10 Ом -до 7 Б.
Рис. 1.6. Схема удвоителя напряжения повышенной мощности
Схема преобразователя для получения разнополярных выходных напряжений
Преобразователь напряжения (рис. 1.7) позволяет получить на выходе два разнополярных напр’яжения с общей средней точкой . Такие напряжения часто используют для питания операционных усилителей. Выходные напряжения близки по абсолютной величине напряжению питания устройства и при изменении его величины изменяются одновременно.
Транзистор VT1 - КТ315, диоды VD1 и У02-Д226.
Блок 1: R1=R4=1,2 кОм; R2=R3=22 кОм; С1=С2=0,022 мкФ, транзисторы КТ315.
Блок 2: транзисторы ГТ402, ГТ404.
Выходное сопротивление удвоителя - 10 Ом. В режиме холостого хода суммарное выходное напряжение на конденсаторах С1 и С2 равно 19,25 В при токе потребления 33 мА. При увеличении тока нагрузки от 100 до 200 мА это напряжение снижается с 18,25 до 17,25 Б.
Задающий генератор преобразователя напряжения (рис. 1.8) выполнен на двух /ШО/7-элементах . К его выходу подключен каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2. Инвертированное напряжение на выходе устройства с учетом потерь преобразования на несколько процентов (или десятков процентов - при низковольтном питании) меньше входного.
Рис. 1.8. Схема преобразователя напряжения-инвертора с задающим генератором на КМОП-элементах
Похожая схема преобразователя изображена на следующем рисунке (рис. 1.9). Преобразователь содержит задающий генератор на /СМО/7-микросхеме, каскад усиления на транзисторах VT1 и VT2, схемы удвоения выходного импульсного напряжения, конденсаторные фильтры и схему формирования искусственной средней точки на основе пары стабилитронов . На выходе преобразователя формируются следующие напряжения: -i-15 Б при токе нагрузки 13…15 мЛ и -15 Б при токе нагрузки 5 мА.
На рис. 1.10 показана схема выходного узла бестрансформаторного преобразователя напряжения . Этот узел фактически
Схема преобразователя напряжения для формирования разнополярных напряжений с задающим генератором на КМОП-элементах
Рис. 1.10. Схема выходного каскада бестрансформаторного преобразователя напряжения
является усилителем мощности. Для управления им можно использовать генератор импульсов, работающий на частоте ^0 кГц.
Без нагрузки преобразователь с таким усилителем мощности потребляет ток около 5 мА. Выходное напряжение приближается к 18 Б (удвоенному напряжению питания). При токе нагрузки 120 мА выходное напряжение уменьшается до 16 Б при уровне пульсаций 20 мВ. КПД устройства около 85%, выходное сопротивление - около 10 Ом.
При работе узла от задающего генератора на КМОП-эпе-ментах установка резисторов R1 и R2 не обязательна, но для ограничения выходного тока микросхемы желательно соединить ее выход с транзисторным усилителем мощности через резистор сопротивлением в несколько кОм.
Простая схема преобразователя напряжения для управления варикапами многократно воспроизведена в различных журналах . Преобразователь вырабатывает 20 В при питании от 9 Б, и такая схема показана на рис. 1.11. На транзисторах VT1 и VT2 собран генератор импульсов, близких к прямоугольным. Диоды VD1 - VD4 и конденсаторы С2 - С5 образуют умножитель напряжения, а резистор R5 и стабилитроны VD5, VD6 - параметрический стабилизатор напряжения.
Рис. 1.11. Схема преобразователя напряжения для варикапов
Рис. 1.12. Схема преобразователя напряжения на КМОП-микросхеме
Простой преобразователь напряжения на одной лишь К561ЛН2-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме на рис. 1.12.
Основные параметры преобразователя при разных напряжениях питания и токах нагрузки приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1. Параметры преобразователя напряжения (рис. 1.12)
| Uпит | Iвых, мА | Uвых, В |
| 10 | 5 | 17 |
| 10 | 10 | 16 |
| 10 | 15 | 14,5 |
| 15 | 5 | 27,5 |
| 15 | 10 | 26,5 |
| 15 | 15 | 25,5 |
Схема выходного каскада формирователя двухполяр-ного напряжения
Для преобразования напряжения одного уровня в двухпо-лярное выходное напряжение может быть использован преобразователь с выходным каскадом по схеме на рис. 1.13 . При входном напряжении преобразователя 5 Б на выходе получаются напряжения -i-8 Б и -8 Б при токе нагрузки 30 мА. КПД преобразователя составил 75%. Значение КПД и величину выходного напряжения можно увеличить за счет использования в выпрямителе-умножителе напряжения диодов Шотки. При увеличении напряжения питания до 9 Б выходные напряжения возрастают до 15 Б.
Приблизительный аналог транзистора 2N5447 - КТ345Б; 2N5449 - КТ340Б. В схеме можно использовать и более распространенные элементы, например, транзисторы типа КТ315, КТ361.
Для схем преобразователей напряжения, построенных по принципу умножителей импульсного напряжения, могут быть использованы самые разнообразные генераторы сигналов прямоугольной формы. Такие генераторы часто строят на микросхеме КР1006ВИ1 (рис. 1.14) . Выходной ток этой микросхемы достаточно большой (100 мА) и часто можно обойтись без каскадов дополнительного усиления. Генератор на микросхеме DA1 {КР1006ВИ1) вырабатывает прямоугольные импульсы, частота следования которых определяется элементами R1, R2, С2. Эти импульсы с вывода 3 микросхемы подаются на умножитель напряжения. К выходу умножителя напряжения подключен рези-стивный делитель R3, R4, напряжение с которого поступает на вход «сброс» (вывод 4) микросхемы DA1. Параметры этого делителя подобраны таким образом, что, если выходное напряжение по абсолютной величине превьюит входное (напряжение питания), генерация прекращается. Точное значение выходного напряжения можно регулировать подбором сопротивлений резисторов R3 и R4.
Схема преобразователя-инвертора напряжения с задающим генератором на микросхеме КР1006ВИ1
Характеристики преобразователя - инвертора напряжения (рис. 1^14) приведены в табл. 1.2.
На следующем рисунке показана еще одна схема преобразователя напряжения на мтросхеме КР1006ВИ1 (рис. 1.15). Рабочая частота задающего генератора 8 кГц. На его выходе включен транзисторный усилитель и выпрямитель, собранный по схеме удвоения напряжения. При напряжении источника питания 12 Б на выходе преобразователя получается 20 Б. Потери преобразователя обусловлены падением напряжения на диодах выпрямителя-удвоителя напряжения.
Таблица 1.2. Характеристики преобразователя-инвертора напряжения (рис. 1.14)
| Uпит, В | Iвых, мА | Iпотреб, мА | КПД, % |
| 6 | 3,5 | 13 | 27 |
| 7 | 6 | 22 | 28 |
| 8 | 11 | 31 | 35 |
| 10 | 18 | 50 | 36 |
| 12 | 28 | 70 | 40 |
Схема преобразователя напряжения с микросхемой КР1006ВИ1 и усилителем мощности
На основе этой же микросхемы (рис. 1.16) может быть создан инвертор напряжения . Рабочая частота преобразования - 18 кГц, скважность импульсов - 1,2.
Как и для других подобных устройств, выходное напряже-ние преобразователя существенно зависит от тока нагрузки.
ТТЛ и /СМОГ/-микросхемы могут быть использованы для выпрямления тока. Развивая тему, автор этой идеи Д. Катберт предложил бестрансформаторный преобразователь напряжения-инвертор на основе ГГ//-микросхем (рис. 1.17).
Устройство содержит две микросхемы: DDI и DD2. Первая из них работает в качестве генератора прямоугольных импульсов с частотой 7 кГц (элементы DDI .1 и DDI .2), к выходу которого подключен инвертор DD1.3 - DDI.6. Вторая микросхема (DD2) включена необычным образом (см. схему): она выполняет функцию
Схема формирователя напряжения отрицательной полярности
Рис. 1.17. Схема инвертора напряжения на основе двух микросхем
диодов. Все ее элементы-инверторы для увеличения нагрузочной способности преобразователя включены параллельно.
В результате такого включения на выходе устройства получается инвертированное напряжение-U, примерно равное (по абсолютной величине) напряжению питания. Напряжение питания устройства с 74НС04 может быть от 2 до 7 В. Примерный отечественный аналог - ГГ//-микросхема типа К555ЛН1 (работает в более узком диапазоне питающих напряжений) или /СМОC/-микросхем а КР1564ЛН1.
Максимальный выходной ток преобразователя достигает 10 мА. При отключенной нагрузке устройство практически не потребляет ток.
В развитие рассмотрен>ной выше идеи использования защитных диодов /C/WO/7-микросхем, имеющихся на входах и выходах /СЛ//0/7-элементов, рассмотрим работу преобразователя напряжения , выполненного на двух микросхемах DDI и DD2 типа К561ЛА7 {р\лс. 1.18). На первой из них собран генератор, работающий на частоте 60 кГц. Вторая микросхема выполняет функцию мостового вьюокочастотного выпрямителя.
Рис. 1.18. Схема точного преобразователя полярности на двух микросхемах К561ЛА7
В процессе работы преобразователя на выходе формируется напряжение отрицательной полярности, с большой точностью при вьюокоомной нагрузке повторяющее напряжение питания во всем диапазоне паспортных значений питающих напряжений (от 3 до 15 8).
