RU1788515C - Преобразователь напр жени - Google Patents

Abstract

Использование: во вторичных источниках электропитани . Сущность изобретени : преобразователь содержит силовой транзисторный ключ 1, эмиттер которого через датчик тока 2 соединен с общей шиной. Накопительный трансформатор 3 выполнен на магнитопроводе с немагнитным зазором. Его первична  обмотка 4 включена между источником посто нного тока 5 и коллектором ключа 1. Вторична  обмотка 6 соединена с нагрузкой 7 через выпр митель 8, емкостный накопитель 9 и сглаживающий фильтр 10. Обмотка положительной обрат

Description

ной св зи 11 соединена с базой ключа 1 через резистор 13 и диод 14, Компаратор напр жени  19,  вл ющийс  одновременно коммутирующим ключом, через резистор 20 базой подключен к датчику тока 2 и эмиттеру ключа 1. Имеетс  цепь отрицательной обратной св зи 21 в виде четырехполюсника. Выпр мители 23, 24 подключены входами к обмотке положительной обратной св зи 11,

а выходами - к емкостным накопител м 25, 26 и входам 28, 29 резисторного сумматора 27. Выход сумматора 27 через элемент временной задержки 32 соединен со входом компаратора напр жени  33. Вход параметрического стабилизатора напр жени  34 соединен с источником посто нного тока 5, а его выход - с компаратором напр жени  33. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относитс  к электротехнике , и может быть использовано во вторичных источниках электропитани .

Известен преобразователь напр жени , содержащий силовой транзисторный ключ, накопительный трансформатор, у которого первична  обмотка включена между коллектором силового трансформаторного ключа и потенциальным выводом выпр мител  сетевого напр жени . Обмотка положительной обратной св зи соединена первым выводом через дроссель с базой силового транзисторнбго ключа, а вторым выводом - через последовательно соединенные резистор и конденсатор, причем последний зашунтирован двум  диодами, - с эмиттером силового транзисторного ключа. Вторична  обмотка накопительного трансформатора через выпр митель, емкостный накопитель и сглаживающий фильтр соединена с нагрузкой. Имеютс  так же узел запуска , датчик тока и тиристор,  вл ющийс  одновременно компаратором напр жени  и элементом принудительного запирани  силового транзисторного ключа, совместно с накопительным конденсатором.

Недостатками этого преобразовател  напр жени   вл ютс  изменение порога срабатывани  компаратора напр жени  на тиристоре при изменении условий окружа- щей среды; ограниченность частотного диапазона преобразовател  из-за применени  тиристора, значительное увеличение выходного напр жени  при скачкообразном уменьшении тока нагрузки (холостой ход), незащищенность силового транзисторного ключа при длительном коротком замыкании на выходе, например, при срабатывании защиты от перенапр жени  или коротком замыкании в нагрузке.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому  вл етс  преобразователь напр жени , содержащий силовой транзисторный ключ, накопительный трансформатор с немагнитным зазором в магнитопроводе. Вторична  обмотка этого трансформатора соединена с нагрузкой через выпр митель, емкостный накопитель и сглаживающий фильтр. Имеетс  обмотка положительной обратной св зи, транзисторный компаратор,  вл ющийс 

одновременно транзисторным коммутирующим ключем. Цепь отрицательной обратной св зи в виде четырехполюсника.

Цель изобретени  - повышение эксплуатационной надежности путем принудительного закрывани  и последующего поддержани  в этом состо нии силового транзисторного ключа при возникновении режимов перегрузки по току или холостого хода.

Это достигаетс  тем, что в преобразователь напр жени , содержащий силовой транзисторный ключ, эмиттер которого через датчик тока, соединен с общей шиной, накопительный трансформатор, выполненный с немагнитным зазором в магнитопроводе , у которого первична  обмотка одним выводом подключена к источнику посто нного тока, а другим - к коллектору силового транзисторного ключа, вторична  обмотка образует выходных выводы через выпр митель , основной емкостной накопитель и сглаживающий фильтр, один вывод обмотки положительный обратной св зи соединен одновременно с базой силового транзисторнбго ключа через цепь, состо щую из

последовательно соединенных резистора и диода, зашунтированного конденсатором, и вспомогательным источником посто нного тока, образованным выпр мителем и сглаживающим фильтром, транзисторный компаратор напр жени , база которого чераз резистор подключена к точке соединени  датчика тока и эмиттера силового транзисторного ключа, эмиттер подключен к общей шине, а коллектор - к базе силового

транзисторного ключа, цепь отрицательной обратной св зи в виде четырехполюсника, два входных вывода которого подключены к выходным выводам преобразовател , а два выходных вывода, гальванически разв занных от входных, включены между вспомогательным источником и базой транзисторного компаратора напр жени , резистор смещени , подключенный одним выводом к источнику посто нного тока, а другим - к точке соединени  указанных резистора и диода, зашунтированного конденсатором, дополнительно введены два выпр мител , пер- вый и второй емкостные накопители, резисторный сумматор с двум  входами, выполненный на двух резисторах, причем один из резисторов выполнен регулируемым, элемент временной задержки, компаратор на- пр жени , выполненный совмещенным с триггером, и параметрический стабилизатор напр жени , соединенный входом с указанным источником посто нного тока, при этом входы первого и второго введенных выпр ми- телей подключены к одному выводу обмотки положительной обратной св зи накопительного трансформатора, выход первого выпр мител  подключен к первому емкостному накопителю и первому входу резисторного сумматора, выход второго выпр мител  подключен ко второму емкостному накопителю и второму входу резисторного сумматора, выход которого через элемент временной задержки соединен со входом введенного компаратора напр жени , соединенного входом питани  с выходом параметрического стабилизатора напр жени , а по выходу-со входом компаратора, свободные выводы первого и второго емкостного накопител  и другой вывод обмотки положительной обратной св зи соединены с общей шиной:

Кроме того, с целью обеспечени  автоматического перезапуска через заданный интервал времени, дополнительно введены импульсный генератор и транзисторный ключ, при этом импульсный генератор входом подключен к выходу компаратора напр жени , выполненного совмещенным с триггером, выходом - к базе введенно- го транзисторного ключа, переход эмиттер-коллектор которого подключен параллельно выходу параметрического стабилизатора напр жени .

На фиг. 1 представлена функциональ- на  схема преобразовател  напр жени ; на фиг. 2 - временные диаграммы, по сн ющие его работу; на фиг. 3 и фиг. 4 - временные диаграммы, по сн ющие работу преобразовател  напр жени  при уменьшени  и увели- чении сопротивлени  нагрузки.

Преобразователь напр жени  содержит силовой транзисторный ключ 1, эмиттер которого, через датчик тока 2, соединен с общей шиной, накопительный трансформа- тор 3, выполненный на магнитопроводе с немагнитным зазором, у которого первична  обмотка 4 включена между источником посто нного тока 5 и коллектором силового транзисторного ключа 1. Вторична  обмотка 6 соединена с нагрузкой 7 через выпр митель 8, емкостной накопитель 9 и сглаживающий фильтр 10. Обмотка положительной обратной св зи 11 трансформатора 3 соединена с базой силового транзисторного ключа 1 через цепь 12, состо щую из последовательно соединенных резисторов 13 и диода 14, зашунтированного конденсатором 15, и со вспомогательным источником 16, образованным выпр мителем 17 и сглаживающим фильтром 18. Компаратор напр жени  19,  вл ющийс  одновременно транзисторным коммутирующим ключом через резистор 20 базой подсоединенной к точке соединени  датчика тока 2 и эмиттера силового транзисторного ключа 1, эмиттером - к общей шине, а коллектором - к базе силового транзисторного ключа 1. Цепь отрицательной обратной св зи 21 представл ет собой четырехполюсник, два входных вывода которого подключены параллельно нагрузке 7, а два выходных вывода, гальванически разв занных от входных. - включены между вспомогательными источником 16 и базой транзисторного компаратора напр жени  19. Резистор смещени  22 подключен одним выводом к источнику посто нного тока 5. а другим выводом - к точке соединени  резистора 13 и диода 14 цепи 12. Первый и второй дополнительные выпр мители 23, 24. входами подключены к обмотке положительной обратной св зи 11 накопительного трансформатора 3. Выходы первого и второго выпр мителей 23. 24 подключены к первому и второму емкостным накопител м 25, 26 и входам резисторного сумматора 27. При этом выпр митель 23 и накопитель 25 подключены к первому входу 28, а выпр митель 24 и накопитель 26 - ко второму входу 29. Сумматор 27 образован регулируемым резистором 30 по первому входу 28 и посто нным резистором 31 - по второму входу. Выход сумматора 27. через элемент временной задержки 32. соединен со входом дополнительного компаратора напр жени  33, выполненного совмещенным с триггером, соединенного по питанию с выходом параметрического стабилизатора напр жени  34. подключенного входом к источнику посто нного тока 5. а по выходу - к компаратору напр жени  33.

Дл  по снени  работы преобразовател  напр жени  целесообразно выделить четыре возможных режима его работы.

Первый режим -- режим пуска преобразовател , второй - режим установившейс  работы на нагрузку, наход щуюс  в пределах номинальной, третий и четвертый - режимы короткого з мыкани  и холостогс

хода на выходе преобразовател  соответственно .

Рассмотрим режим пуска преобразовател .

В момент включени  источника посто-  нного тока 5 (to на фиг. 2а) напр жение Un подаетс  на силовой транзисторный ключ 1 через первичную обмотку 4 накопительного трансформатора 3, на параметрический стабилизатор 34, на резистор смещени  22, а через него и резистор 13 цепи 12 - на базу силового транзисторного ключа 1. Сигнал Ui на входе транзисторного компаратора напр жени  19 в этот момент равен нулю, так как силовой транзисторный ключ 1 за- крыт и падение напр жени  на датчике тока 2 равно нулю, цепь отрицательный обратной св зи 21 имеет большое сопротивление, поскольку напр жение на нагрузке 7 равно нулю, и напр жение на выходе сглаживаю- щего фильтра 18 дополнительного источника 16 также равно нулю. Вследствие этого транзисторный компаратор напр жени  19,  вл ющийс  одновременно коммутирующим ключом, закрыт и не преп тствует про- теканию базового тока силового транзисторного ключа 1 по цепи: плюс источника посто нного тока 5, резистор смещени  22, резистор 13 цепи 12, переход база-эмиттер силового транзисторного клю- ча 1 датчик тока 2, обща  шина, минус источника посто нного тока 5. Этот ток определ ет возникновение линейно возрастающего коллекторного тока и силового транзисторного ключа 1 по цепи: плюс ис- точника посто нного тока 5, первична  обмотка 4 накопительного трансформатора 3, переход коллектор-эмиттер силового транзисторного ключа 1. датчик тока 2, обща  шина, минус источника посто нного тока 5, вызывающий падение напр жени  на датчи- ке.тока 2. Ток базы силового транзисторного ключа 1, задаваемый резистором смещени  22 и резистором 13 цепи 12 только приоткрывает силовой транзисторный ключ 1, дальней- шее его открывание обеспечиваетс  за счет напр жени  на обмотке положительной обратной св зи 11 накопительного трансформатора 3, благодар  которой по цепи: плюсовой конец обмотки положительной обратной св - зи 11, диод 14, резистор 13, переход база- эмиттер силового транзисторного ключа 1, датчик тока 2, обща  шина, минусовой конец обмотки положительной обратной св зи 11, протекает ток. Указанный базовый ток увели- чиваетс , еще более приоткрыва  силовой транзисторный ключ 1.

Развиваетс  лавинообразный процесс, в результате которого силовой транзисторный ключ 1 входит в насыщение (момент to

на фиг, 26), а на обмотке положительной обратной св зи 11 устанавливаетс  ЭДС Un, пропорциональна  Un (фиг. 2в). Одновременно от этой обмотки через выпр мители 17 и 23 зар жаютс  конденсаторы сглаживающего фильтра 18 вспомогательного источника 16 и емкостного накопител  25 (фиг. 2г), соответственно Uie и U25. В момент времени ti (фиг. 2д) сигнал и достигает величины Unop срабатывани  транзисторного компаратора напр жени  19, который закорачивает базу силового транзисторного ключа 1 с общей шиной, что приводит к его призакрыванию. Развиваетс  обратный лавинообразный процесс, который способствует быстрому запиранию силового транзисторного ключа 1 (фиг. 26 - момент времени ti), что обеспечиваетс  обмоткой положительной обратной св зи 11 и конденсатором 15 цепи 12. В момент времени ti закрывани  силового транзисторного ключа 1 в первичной обмотке 4 накопительного трансформатора 3 возникает ЭДС самоиндукции , вызывающа , во-первых, протекание тока по цепи: вторична  обмотка 6 накопительного трансформатора 3. выпр митель 8, емкостной накопитель 9, вторична  обмотка б - который зар жает емкостной накопитель 9 и питает нагрузку 7, последнее осуществл етс  через сглаживающий фильтр 10 (фиг. 2е). во-вторых, изменение пол рности напр жени  на выводах обмотки положительной обратной св зи 11 на противоположное (фиг. 2в - момент ti). Поскольку конденсатор емкостного накопител  9 не зар жен в момент включени  преобразовател , то он представл ет собой короткозамыкающую цепь по вторичной обмотке 6, что приводит к увеличению времени размагничивани  магнитопровода накопительного трансформатора 3 и. соответственно , к увеличению времени приложени  отрицательного напр жени  в базе силового транзисторного ключа 1 во врем  размагничивани . В момент времени t2 это напр жение становитс  положительным (фиг. 2в) в вышеописанные процессы открывани  (аналогично моменту to) и закрывани  (аналогично моменту ti) силового транзисторного ключа 1 повтор ютс . По мере зар да конденсатора емкостного накопител  9 врем  приложени  отрицательного напр жени  к базе силового транзисторного ключа 1 между импульсами уменьшаетс  (интервалы времени (ti - ta) (t3 - t-i) (ts - te) и т.д. и при достижении напр жени  на нагрузке величины номинального значени  оно устанавливаетс  приблизительно посто нным при неизменной нагрузке.

В основу работы предлагаемой схемы защиты от перегрузки по току и перенапр жени  по выходу при холостом ходе положен принцип анализа и сравнени  положительной (фиг. 2г - U25) и отрицательной (фиг. 2ж) частей импульсного напр жени  на выводах обмотки положительной обратной св зи 11 накопительного трансформатора 3, и при вы влении превышени  доли положительной части над отрицательной - включение схемы принудительного запирани  силового транзисторного ключа 1. Очевидно, что напр жение на емкостном накопителе 25 (U25) нарастает быстрее, чем напр жение на емкостном накопителе 26 (Uae), так как за- р д первого осуществл етс  на пр мом ходе . Поэтому, если не прин ть меры, то положительное напр жение на входе компаратора 33, выполненного совмещенным с триггером, превысит отрицательное и им бу- дет сформирован сигнал на принудительное запирание силового транзисторного ключа 1 и преобразователь напр жени  не удаетс  включить. Дл  устранени  этого между сумматором 27 и входом компаратора напр же- ни  33 включен элемент временной задержки 32, позвол ющий (фиг. 2з) замедлить нарастание напр жени  на входе компаратора напр жени  33 и, тем самым уравн ть скорости нарастани  указанных напр жений и обеспечить включение преобразовател  напр жени , так как положительное напр жение на входе компаратора 33 UK.H. не достигнет порогового напр жени  срабатывани  Unop.K. этого компаратора.

Рассмотрим режим перегрузки на току (фиг. 3). Путь в момент времени ts величина сопротивлени  нагрузки 7 уменьшилась (фиг. За) настолько, что ток нагрузки превысил максимально допустимое значение. В первом такте после изменени  нагрузки это приводит к увеличению времени размагничивани  магнитопровода накопительного трансформатора 3 (фиг. 36 и Зв - интервал времени ts - те). Напр жение Uas и U26 суще- ственно не измен етс . Однако в следующий такт работы преобразовател  (te - ts) врем  открытого состо ни  силового транзисторного ключа 1 несколько увеличитс  за счет отрицательной обратной св зи, а затем останетс  посто нным, т.е. напр жение U25 останетс  практически на прежнем уровне, а величина напр жени  U26 начнет уменьшатс  и соответственно повышаетс  напр жени  на входе компаратора напр жени  33 UK.H. (фиг. Зг и Зд). Через несколько тактов оно увеличитс  настолько, что достигнет уровн  срабатывани  компаратора напр жени  33 Unop.K. (фиг. Зд - момент времени tn). Это приводит к по влению высокого потенциала на его выходе UBK (фиг. Зе), который принудительно закрывает силовой транзисторный ключ 1 с помощью компаратора напр жени  19,  вл ющегос  одновременно транзисторным коммутирующим ключом .

Очевидно, что от соотношени  резисторов 30 и 31 резисторного сумматора 27 и значени  выходного сопротивлени  компаратора напр жени  33 зависит, при каком токе нагрузки срабатывает защита, поэтому с помощью подстройки одного из них, например , резистора 30, можно осуществл ть эту регулировку.

Рассмотрим режим холостого хода (фиг. 4), Пусть в моменты времени ti - Т4 преобразователь работает в номинальном режиме при номинальной нагрузке, а в момент времени ts величина сопротивлени  нагрузки 7 резко увеличилась (фиг, 4а) настолько, что емкостной накопитель 9 можно считать ненагруженным . В первом такте после изменени  нагрузки 7 это приводит к незначительному уменьшению времени размагничивани  магнитопровода накопительного трансформатора 3 - (фиг. 4б-4в - интервал времени te - ts) Напр жение U25, U26 и UH существенно в этом такте не измен етс  (фиг. 4г и 4д). Однако в последующие такты работы напр жени  на нагрузке 7 UH увеличиваетс  (фиг. 4е) и превысит номинальное значение UHH. что приводит к уменьшению длительности открытого состо ни  силового транзисторного ключа 1 из-за действи  цепи отрицательной обратной св зи 21, а :акже уменьшению паузы между импульсами, Последн   уменьшаетс  как за счет уменьшени  времени размагничивани  магнитопровод  накопительного трансформатора 3. так и за счет уменьшени  накопленной в магнитопроводе энергии, Поэтому соотношение между напр жени ми U25 и U26 по мере работы преобразовател  напр жени  в этом режиме все больше ведет к преобладанию напр жени  и25(фиг. 4д) и в момент времени t24 суммарное напр жение UKH увеличитс  настолько, что достигнет напр жени  Unop.K. срабатывани  компаратора напр жени  33. Это приводит к по влению высокого потенциала на его выходе (фиг. 4ж - момент времени t24), который принудительно закрывает силовой транзисторный ключ 1 с помощью компаратора напр жени  19.  вл ющегос  одновременно транзисторным коммутирующим ключом.

Так как компаратор напр жени  33 выполнен совмещенным с триггером, то после срабатывани  он может бесконечно долго находитьс  в этом состо нии и, соответственно , в течение этого времени будет принудительно закрыт силовой транзисторный ключ 1, Во многих практических случа х режимы короткого замыкани  или холостого хода могут носить относительно кратковременный характер, не св заны с катастрофическими отказами и исчезают после сн ти  напр жени  питани , например, в цифровых схемах, построенных на микросхемах типа К-МОП, Поэтому надо повторно включить преобразователь напр жени  в работу, дл  чего его сначала надо выключить, а затем снова включить, В случае обслуживаемого устройства данна  операци  не представл ет труда. Хуже, если устройство не обслуживаетс  оператором. Поэтому целесообразно предусмотреть в источнике питани  возможность автоматического повторного включени  преобразовател  напр жени  через определенный заданный промежуток времени, Дл  решени  этой задачи в устройство можно ввести импульсный генератор 35, имеющий регулировку периода повторени  импульсов и транзисторный ключ 36, показанные на фиг. 1 пунктиром. При этом импульсный генератор 35 по питанию подключен к выходу компаратора напр жени  33, выполненного совмещенным с триггером, а по выходу - к базе транзисторного ключа 36, переход коллектор-эмиттер которого подключен параллельно выходу параметрического стабилизатора напр жени  34. питающего компаратор напр жени  33.

Схема повторного включени  преобразовател  напр жени  работает следующим образом. При срабатывании компаратора напр жени  на его выходе устанавливаетс  высокий потенциал, который служит напр жением питани  дл  импульсного генератора 35. Последний через заданное врем  формирует импульс напр жени  или тока открывающий транзисторный ключ 36, который шунтирует выход параметрического стабилизатора 34 на некоторое врем , достаточное дл  выключени  компаратора напр жени  33, снима  с него напр жение питани . Это врем  при необходимости можно сделать регулируемым. Если режимы перегрузки по току или холостого хода устранились , то преобразователь напр жени  включитс  в работу и будет работать в своем штатном режиме. Если эти режимы не устранены , то оп ть сработает защита и преобразователь напр жени  выключитс , как описано выше. Через заданное врем  процесс включени  повторитс . Интервал времени повторени  включени  может быть выбран таким, что указанные повторени  не приведут к выходу из стро  силового транзисторного ключа 1. Импульсный генератор

может быть выполнен, например, на основе однопереходного транзистора.

Компаратор напр жени  33, выполненной совмещенными с триггером, может быть осуществлен по известной схеме на двух транзисторах разного типа проводимости .

10

Claims (2)

1. Преобразователь напр жени , содержащий силовой транзисторный ключ, эмиттер которого через датчик тока соединен с общей шиной, накопительный трансформа5 тор, выполненной с немагнитным зазором в магнитопроводе, у которого первична  обмотка одним выводом подключена к источнику посто нного тока, а другим - к коллектору силового транзисторного ключа,

0 вторична  обмотка образует выходные выводы через выпр митель, основной емкостный накопитель и сглаживающий фильтр, один вывод обмотки положительной обратной св зи соединен одновременно с базой

5 силового транзисторного ключа через цепь, состо щую из последовательно соединенных резистора и диода, зашунтированного кондесатором, и вспомогательным источником посто нного тока, образованным вы0 пр мителем и/сглаживающим фильтром, транзисторный компаратор напр жени . база которого через резистор подключена к точке соединени  датчика тока и эмиттера силового транзисторного ключа, эмиттер

5 подключен к общей шине, а коллектор - к базе силового транзисторного ключа, цепь отрицательной обратной св зи в виде четырехполюсника , два входных вывода которого подключены к выходным выводам

0 преобразовател , а два выходных вывода, гальванически разв занных от входных, включены между вспомогательным источником и базой транзисторного компаратора напр жени , резистор смещени , подклю5 ченный одним выводом к источнику посто нного тока, а другим -- к точке соединени  указанных резистора и диода, зашунтированного конденсатором, отличающийс  тем, что, с целью повышени  эксплуатаци0 онной надежности путем принудительного закрывани  и последующего поддержани  в этом состо нии силового транзисторного ключа при возникновении режимов перегрузки по току или холостого хода, дополни5 тельно введены два выпр мител , первый и второй емкостные накопители, резистор ный сумматор с двум  входами, выполненный на двух резисторах, причем один из резисторов выполнен регулируемым, элемент временной задержки, компаратор напр жени , выполненный совмещенным с триггером, и параметрический стабилизатор , соединенный входом с указанным источником посто нного тока, при этом входы первого и второго введенных выпр мителей подключены к одному выводу обмотки положительной обратной св зи накопительного трансформатора, выход первого выпр мител  подключен к первому емкостному накопителю и первому входу резисторного сумматора, выход второго выпр мител  подключен к второму емкостному накопителю и второму входу резисторного сумматора, выход которого через элемент временной задержки соединен с входом введенного компаратора напр жени , соединенного входом питани  с выходом параметрического стабилизатора наk

з Jt

U;8

Una

Uz

0

пр жени , а по выходу - с входом компаратора , свободные выводы первого и второго емкостного накопител  и другой вывод обмотки положительной обратной св зи соединены с общей шиной.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что, с целью обеспечени  автоматического перезапуска через заданный интервал времени, дополнительно введень импульсный генератор и транзисторный ключ при этом импульсный генератор входом под ключей к выходу компаратора напр жени , вы- полненного совмещенным с триггером, выходом - к базе введенного транзисторного ключа, переход эмиттер-коллектор которого подключен параллельно выходу параметрического стабилизатора напр жени .

5 tfi

17

it

Unop

/

П

Is

и

tl

$

дL

CSI

-p/