схема для повышения постоянного напряжения

Формула изобретения

СХЕМА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащая генератор импульсов, включающий первый и второй транзисторы, первый и второй резисторы, конденсатор и дроссель, развязывающий диод, накопительный конденсатор, а также отрицательный и положительный зажимы для подключения источника питания и выходной вывод для подключения нагрузки, причем эмиттер первого транзистора подключен к положительному зажиму, его база к первому выводу первого резистора, а коллектор через второй резистор к отрицательному зижиму, эмиттер второго транзистора соединен с отрицательным зажимом, его база с коллектором первого транзистора, а коллектор через конденсатор с базой первого транзистора и через дроссель с положительным зажимом, накопительный конденсатор одним выводом соединен с отрицательным зажимом, а другим с выходным выводом и с катодом развязывающего диода, включенного в прямом направлении, отличающаяся тем, что дополнительно введены усилитель постоянного тока, включающий третий и четвертый транзисторы и третий резистор, четверный резистор, включенный параллельно указанному конденсатору, омический делитель напряжения, включенный параллельно накопительному конденсатору и состоящий из последовательно соединенных пятого и шестого резисторов, а также стабилитрон, катод которого подключен к общей точке соединения пятого и шестого резисторов, и анод к базе третьего транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого транзистора и с отрицательным зажимом, а коллектор с базой четвертого транзистора и через третий резистор с положительным зажимом, причем коллектор четвертого транзистора соединен с вторым выводом первого резистора, а другой вывод с анодом развязывающего диода соединен с коллектором второго транзистора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания.

Известен преобразователь постоянного тока в постоянный ток, содержащий двухтактный автогенератор, выполненный на двух транзисторах и трансформатора, схему стабилизации и умножитель напряжения [1]

Недостатками преобразователя являются сложность схемы и значительные масса и габариты вследствие наличия трансформатора и большого числа элементов.

Известны бестрансформаторные преобразователи постоянного напряжения, содержащие генератор прямоугольных импульсов и усилитель мощности (см. Р.М. Терещук и др. Полупроводниковые приемо-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. Киев: Наукова думка, 1987, 800 с.).

Недостатком бестрансформаторных преобразователей является невозможность их выполнения с любым выходным напряжением.

Известна интегральная схема преобразователя постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения, содержащая генераторный контур, дроссель и омический делитель напряжения, второе сопротивление которого заменено источником тока [2] Для повышения напряжения в преобразователе используется напряжение самоиндукции дросселя, возникающее при запирании включенного последовательно дросселю транзистора и заряжающее выходной конденсатор через развязывающий диод.

Недостатком преобразователя является зависимость напряжения самоиндукции дросселя от напряжения источника питания и сопротивления нагрузки, что обусловливает его применение в устройствах, не требующих стабильности выходного напряжения: счетчиках Гейгера, электронных зажигалках и т.д. Включение на выходе преобразователя стабилизатора напряжения приведет к снижению экономичности преобразователя при малых нагрузках вследствие большой разницы входного и выходного напряжения стабилизатора. Кроме того, дроссель и последовательно соединенный с ним транзистор, работающий в ключевом режиме, подключены к источнику питания через резистор, что снижает эффективность преобразователя вследствие уменьшения добротности дросселя.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь постоянного напряжения, используемый в электронной зажигалке "Сура" [3] содержащий генератор импульсов, выполненный на транзисторах Т1 и Т2, причем эмиттер транзистора Т2 соединен с отрицательным зажимом источника питания непосредственно, коллектор транзистора Т1 и база транзистора Т2 через резистор R2, база транзистора Т1 через резистор R1, а положительный зажим источника питания подключен к эмиттеру транзистора Т1 непосредственно и к коллектору транзистора Т2 через дроссель ДР, при этом коллектор транзистора Т2 соединен через конденсатор С1 с базой транзистора Т1, а через последовательно соединенные резистор R3, диод Д1, включенный в прямом направлении, и конденсатор С2 с отрицательным зажимом источника питания.

Достоинствами прототипа являются возможность получения высокого по сравнению с источником питания выходного напряжения, малое число элементов, небольшие масса и габариты, недостатком существенная зависимость выходного напряжения от напряжения источника питания и сопротивления нагрузки. Последнее обусловлено тем, что транзистор Т2 шунтируется сопротивлением нагрузки, уменьшение которого приводит к уменьшению влияния открывания и закрывания транзистора Т2 на изменение тока через дроссель ДР, и как следствие к снижению напряжения самоиндукции дросселя и выходного напряжения преобразователя.

Для устранения этих недостатков в состав предлагаемой схемы для повышения напряжения постоянного тока, содержащей транзистор Т1, эмиттер которого подключен к положительному зажиму источника питания, база к первому выводу резистора R1, а коллектор к отрицательному зажиму через резистор R2, транзистор Т2, эмиттер которого соединен с отрицательным зажимом источника питания, база с коллектором транзистора Т1, а коллектор с базой транзистора Т1 через конденсатор С1, с положительным зажимом источника питания через дроссель DP, с отрицательным зажимом источника питания через последовательно соединенные диод Д1, включенный в прямом направлении, и конденсатор С2, введены омический делитель напряжения, содержащий последовательно соединенные резисторы R5 и R6, подключенные параллельно конденсатору С2, резистор R4, шунтирующий конденсатор С1, стабилитрон Д2, катод которого подключен к омическому делителю напряжения на резисторах R5, R6, и усилитель постоянного тока (УПТ), содержащий транзистор Т3, база которого подключена к аноду стабилитpона Д2, эмиттер к отрицательному зажиму источника питания, а коллектор к положительному зажиму источника питания через резистор R3, и транзистор Т4, база которого соединена с коллектором транзистора Т3, эмиттер с отрицательным зажимом источника питания, а коллектор с вторым выводом резистора R1.

Омический делитель напряжения на резисторах R5, R6, cтабилитрон Д2 и УПТ образуют отрицательную обратную связь, предназначенную для стабилизации выходного напряжения преобразователя на уровне, определяемом соотношением сопротивлений резисторов R5, R6 и напряжением стабилизации стабилитрона Д2.

Резистор R4 способствует лучшему запиранию транзисторов Т1, Т2, что повышает экономичность преобразователя напряжения.

Таким образом, заявленное техническое решение обладает новым свойством, заключающемся в поддержании напряжения на выходе преобразователя постоянным при изменении напряжения источника питания или сопротивления нагрузки, а также в повышении экономичности преобразователя.

Это свойство обеспечивается за счет введения в состав преобразователя напряжения стабилизирующей отрицательной обратной связи, через которую выход преобразователя соединяется с генератором импульсов, и шунтирования конденсатора С1 активным сопротивлением, обеспечивающим лучшее запирание транзисторов генератора импульсов.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема прототипа; на фиг. 2 схема для повышения постоянного напряжения.

Схема для повышения постоянного напряжения включает генератор импульсов, содержащий транзисторы Т1 и Т2, дроссель ДР, конденсатор С1 и резисторы R1, R2, R4, развязывающий диод Д1, накопительный конденсатор С2 и цепь обратной отрицательной связи, включающую омический делитель напряжения, содержащий последовательно соединенные резисторы R5, R6, стабилитрон Д2 и УПТ, содержащий транзисторы Т3, Т4 и резистор R3, причем эмиттер транзистора Т1 подключен к положительному зажиму источника питания, а коллектор к отрицательному зажиму источника питания через резистор R2, эмиттер транзистора Т2 соединен с отрицательным зажимом источника питания, база с коллектором транзистора Т1, коллектор с базой транзистора Т1 через параллельно соединенные резистор R4 и конденсатор С1, с положительным зажимом источника питания через дроссель ДР и с отрицательным зажимом источника питания через развязывающий диод Д1, включенный в прямом направлении, и накопительную емкость С2.

Омический делитель напряжения подключен параллельно конденсатору С2, катод стабилитрона Д2 к омическому делителю напряжения, анод к базе транзистора Т3, эмиттер которого соединен с отрицательным зажимом источника питания, а коллектор с положительным зажимом источника питания через резистор R3. Эмиттер транзистора Т4 подключен к отрицательному зажиму источника питания, коллектор к базе транзистора Т1 через резистор R1, а база к коллектору транзистора Т3.

Схема для повышения постоянного напряжения функционирует следующим образом.

При включении тумблера Т1 транзистор Т3 закрыт, а Т4 открыт вследствие наличия на его базе положительного напряжения, подающегося от источника питания через резистор R3. База транзистора Т1 оказывается соединенной с отрицательным зажимом источника питания через резистор R1, поэтому транзисторы Т1 и Т2 открыты. Сопротивление резистора R1 выбирается таким образом, чтобы ток в цепи

+U_пит ->>э Т1->> R₁->> к-э Т4 ->> -U_пит

не обеспечивал выход транзистора Т1 в насыщенное состояние.

В момент включения тумблера В1 конденсатор С1 заряжается по цепи

+U_пит_ э-T1 _ C1

Это приводит к увеличению тока базы транзистора Т1, уменьшению сопротивления его эмиттерно-коллекторного перехода, а следовательно и коллекторно-эмиттерного перехода транзистора Т2. Ток заряда конденсатора С1 увеличивается и т. д. Возникает лавинообразный процесс, в результате которого транзисторы Т1 и Т2 полностью открываются.

По мере заряда конденсатора С1 базовый ток транзистора Т1, а следовательно и Т2, уменьшается, что приводит к повышению напряжения на коллекторе транзистора Т2. Это в свою очередь еще больше ограничивает базовый ток транзистора Т1 и т.д. Возникает лавинообразный процесс, в результате которого транзисторы Т1 И Т2 закрываются. При запирании транзистора Т2 в дросселе ДР появляется напряжение самоиндукции, заряжающее конденсатор С2 через диод Д1. Одновременно напряжение самоиндукции перезаряжает конденсатор С1, поддерживая транзистор Т1 в закрытом состоянии.

При уменьшении напряжения самоиндукции конденсатор С1 начинает разряжаться. В случае отсутствия резистора R4 он разряжался бы по цепи; С1 ДР э- Т1-С1. Это привело бы к открыванию транзисторов Т1 и Т2 и увеличению тока через транзистор Т2 из-за наличия остаточного напряжения самоиндукции в дросселе ДР.

В предлагаемой схеме конденсатор С1 разряжается через резистор R4, а приложенное к базе транзистора Т1 через резистор R4 напряжение самоиндукции продолжает удерживать транзистор Т1 в закрытом состоянии, что способствует повышению экономичности преобразователя напряжения.

Дальнейшее уменьшение напряжения самоиндукции приводит к отпиранию транзистора Т1. Возникает лавинообразный процесс, описанный выше, в результате которого транзисторы Т1 и Т2 полностью отпираются. Далее циклы работы генератора импульсов повторяются.

При достижении напряжения в точке а значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона Д2, стабилитрон пробивается в обратном направлении. Появляется ток базы транзистора Т3, сопротивление его коллекторно-эмиттерного перехода уменьшается, а транзистора Т4 увеличивается. В результате постоянное отрицательное смещение на базе транзистора Т1 уменьшается, а длительность открытого состояния транзистора Т2 сокращается, что приводит к уменьшению запасаемой дросселем ДР энергии и снижению напряжения самоиндукции.

Дальнейшее повышение напряжения в точке а влечет за собой резкое увеличение базового тока транзистора Т3 и закрыванию транзистора Т4. Это приводит к исчезновению отрицательного смещения на базе транзистора Т1 и разрыву цепи перезарядки конденсатора С1 от напряжения самоиндукции дросселя ДР, поэтому транзисторы Т1 и Т2 закрываются. Реально транзистор Т4 полностью не закрывается, поскольку существуют потери на омическом делителе напряжения R5, R6 и конденсаторе С2.

При подключении нагрузки конденсатор С2 начинает разряжаться. Незначительное уменьшение напряжения в точке а приводит к уменьшению сопротивления коллекторно-эмиттерного перехода транзистора Т4 и увеличению напряжения самоиндукции дросселя ДР. Аналогичные процессы происходят при изменении напряжения питания преобразователя.

Таким образом, стабилизация выходного напряжения преобразователя обеспечивается за счет управления длительностью открытого состояния выходного транзистора Т2, определяющей количество накапливаемой дросселем ДР энергии, что обеспечивает достаточно высокую экономичность преобразователя. Этому способствует также работа выходного транзистора Т2 в ключевом режиме.

Управление длительностью открытого состояния выходного транзистора осуществляется сигналом, формируемым цепью отрицательной обратной связи.