RU2018203C1

RU2018203C1 - Capacitor charger

Info

Publication number: RU2018203C1
Authority: RU
Inventors: К.В. Ордин
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 1994-08-15

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: capacitor charger has power supply 1, metering throttle 2, transistor switch 3, current sensor 4, diode 5, storage capacitor 6, comparison circuit 7, reference-voltage source 8, controlled master oscillator 9, control flip-flop 10, optocoupler 11, isolating power amplifier 12. EFFECT: improved design. 2 cl, 2 dwg

Description

Устройство относится к электротехнике и может быть использовано, в источниках питания лазеров и блоках питания телевизоров. The device relates to electrical engineering and can be used in laser power sources and TV power supplies.

Известно устройство "Источник питания газового лазера ЛГ-52" (см. Паспорт лазера ЛГ-52 1987), включающее выпрямитель напряжения промышленной сети с фильтром, транзисторный коммутатор, импульсный трансформатор, выходной выпрямитель, схему измерения постоянного выходного тока и формирователь импульсов управления транзисторным коммутатором. A device is known "Power source of a gas laser LG-52" (see Laser passport LG-52 1987), which includes an industrial network voltage rectifier with a filter, a transistor switch, a pulse transformer, an output rectifier, a DC output current measurement circuit and a pulse transformer for controlling a transistor switch .

Это устройство не может быть использовано для быстрого заряда накопительных конденсаторов, например, для питания твердотельных лазеров из-за малой мощности (70 Вт) и неперспективности параллельного включения большого числа источников питания из-за низких удельных характеристик (67 кг/кВт, 78 литров/кВт) и сложности принципиальной схемы устройства. This device cannot be used to quickly charge storage capacitors, for example, to power solid-state lasers due to low power (70 W) and the unpromising parallel connection of a large number of power supplies due to low specific characteristics (67 kg / kW, 78 liters / kW) and the complexity of the circuit diagram of the device.

Известно устройство для зарядки конденсатора, обладающее улучшенными массогабаритными характеристиками, включающее источник питания постоянного напряжения, параллельно которому подключена последовательная цепь из первичной обмотки дозирующего дросселя и транзисторного ключа, один вывод вторичной обмотки дозирующего дросселя подключен через обратный диод к обкладке накопительного конденсатора, вторая обкладка которого подключена к отрицательной клемме источника питания постоянного напряжения, обмотки включены согласно: первую и вторую схемы сравнения, первые входы которых подключены к первому и второму источникам опорных напряжений, второй вход второй схемы сравнения присоединен к выходу интегратора, входные клеммы которого подключены к первичной обмотке дозирующего дросселя, а второй вход первой схемы сравнения соединен с накопительным конденсатором, выход второй схемы сравнения подключен к второму входу триггера, выход первой схемы сравнения связан с входом управляемого задающего генератора, выход которого соединен с первым входом триггера, а выход триггера через усилитель мощности подключен к управляемому входу ключевого транзистора, второй вывод вторичной обмотки дросселя подключен к точке соединения одного вывода транзисторного ключа с первичной обмоткой дросселя, второй вывод которого подключен к отрицательной клемме источника питания постоянного напряжения. A device for charging a capacitor is known, which has improved weight and size characteristics, including a DC voltage power supply, in parallel with which a serial circuit is connected from the primary winding of the metering inductor and a transistor switch, one terminal of the secondary winding of the metering inductor is connected through a reverse diode to the lining of the storage capacitor, the second lining of which is connected to the negative terminal of the DC power supply, the windings are turned on according to: first the second comparison circuit, the first inputs of which are connected to the first and second sources of reference voltages, the second input of the second comparison circuit is connected to the output of the integrator, the input terminals of which are connected to the primary winding of the metering inductor, and the second input of the first comparison circuit is connected to the storage capacitor, the output of the second circuit the comparison is connected to the second input of the trigger, the output of the first comparison circuit is connected to the input of the controlled master oscillator, the output of which is connected to the first input of the trigger, and the output of the trigger A power amplifier is connected through a power amplifier to the controlled input of the key transistor, the second terminal of the secondary winding of the inductor is connected to the connection point of one output of the transistor switch with the primary winding of the inductor, the second output of which is connected to the negative terminal of the DC power supply.

Это устройство имеет существенно ограниченные функциональные возможности по питанию. Оно не может работать от источника питания с относительно высоким уровнем напряжений на его выводах, например, ±150 В, т.е. от выпрямленного и отфильтрованного напряжения промышленной сети 220 В, 50 Гц, так как один из выводов источника питания закорачивается на землю. Кроме того, при увеличении напряжения источника питания, интегратор устройства подвергается воздействию высокого импульсного напряжения превышающего в несколько раз напряжение источника питания. При повышенном напряжении питания более вероятно насыщение сердечника дозирующего дросселя, приводящее к аварийному режиму, а интегратор не позволяет получить информацию о начале процесса насыщения. Устройство подвержено влиянию помех, поступающих по выводам источника питания, из-за наличия гальванической связи элементов синхронизации с общим выводом источника питания. Это устройство имеет сравнительно сложную электрическую схему. Последние две причины делают нецелесообразным создание установок содержащих большое количество параллельно включенных устройств, с целью быстрого заряда накопительного конденсатора от одного источника питания. This device has significantly limited power functionality. It cannot operate from a power source with a relatively high voltage level at its terminals, for example, ± 150 V, i.e. from the rectified and filtered voltage of the industrial network 220 V, 50 Hz, since one of the terminals of the power source is shorted to ground. In addition, with an increase in the voltage of the power source, the integrator of the device is exposed to high pulse voltage exceeding several times the voltage of the power source. With an increased supply voltage, saturation of the core of the metering inductor is more likely, leading to emergency operation, and the integrator does not allow obtaining information about the beginning of the saturation process. The device is susceptible to interference from the power supply terminals due to the galvanic connection of the synchronization elements with the common output of the power source. This device has a relatively complex electrical circuit. The last two reasons make it inappropriate to create installations containing a large number of devices connected in parallel in order to quickly charge the storage capacitor from one power source.

Кроме того, в устройстве не предусмотрена защита от воспламенения, а, как известно, например, из практики работы телевизоров, при плотной упаковке деталей зарядных устройств вероятность воспламенения отлична от нуля. При параллельной работе большого количества устройств воспламенение одного устройства может вызвать выключение источника питания и прекращение заряда накопительного конденсатора. In addition, the device does not provide protection against ignition, but, as is known, for example, from the practice of television sets, when the parts of chargers are tightly packed, the probability of ignition is non-zero. In parallel operation of a large number of devices, ignition of one device can cause the power source to turn off and the storage capacitor to stop charging.

Целю изобретения является увеличение допустимого уровня входных напряжений и помехоустойчивости устройства при его упрощении. The aim of the invention is to increase the permissible level of input voltage and noise immunity of the device while simplifying it.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для зарядки конденсатора, включающем источник питания постоянного напряжения, параллельно которому подключена последовательная цепь из первичной обмотки дозирующего дросселя и транзисторного ключа, один вывод вторичной обмотки дозирующего дросселя подключен через обратный диод к первой обкладке накопительного конденсатора, обмотки включены согласно; схему сравнения, первый вход которой подключен к первой обкладке конденсатора, второй - к источнику опорного напряжения, выход - к входу управляемого задающего генератора, выход которого соединен с первым входом триггера управления, а выход триггера управления через изолирующий усилитель мощности подключен к управляющему входу ключевого транзистора, второй вывод источника опорного напряжения соединен с второй обкладкой конденсатора, последовательно с транзисторным ключом включен датчик тока, выход которого соединен к входу оптопары с прямым прохождением лучей излучателя к приемнику, выход оптопары подключен к второму входу триггера управления, второй вывод вторичной обмотки дозирующего дросселя подключен к второй обкладке накопительного конденсатора. This goal is achieved by the fact that in a device for charging a capacitor that includes a constant voltage power supply, in parallel with which a serial circuit is connected from the primary winding of the metering inductor and transistor switch, one terminal of the secondary winding of the metering inductor is connected through the reverse diode to the first lining of the storage capacitor, the windings are turned on according to; a comparison circuit, the first input of which is connected to the first plate of the capacitor, the second to the source of the reference voltage, the output to the input of a controlled master oscillator, the output of which is connected to the first input of the control trigger, and the output of the control trigger through an isolating power amplifier is connected to the control input of the key transistor , the second output of the reference voltage source is connected to the second capacitor plate, a current sensor is connected in series with the transistor switch, the output of which is connected to the input of the optocoupler with direct passage of the emitter rays to the receiver, the output of the optocoupler is connected to the second input of the control trigger, the second output of the secondary winding of the metering inductor is connected to the second lining of the storage capacitor.

С целью повышения надежности работы устройства оптопара выполнена с открытым оптическим каналом, причем детали устройства располагаются в поле зрения приемника оптопары. In order to increase the reliability of operation of the device, the optocoupler is made with an open optical channel, and the details of the device are located in the field of view of the receiver of the optocoupler.

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - диаграммы токов и напряжений. In FIG. 1 shows a functional electrical diagram of a device; in FIG. 2 - diagrams of currents and voltages.

Устройство включает в себя (фиг. 1) источник питания 1, дозирующий дроссель 2 с первичной 2.1 и вторичной 2.2, обмотками, транзисторный ключ 3, датчик тока 4, диод 5, накопительный конденсатор 6, схему сравнения 7, источник опорного напряжения 8, управляемый задающий генератор 9, триггер управления 10, оптопару 11, и изолирующий усилитель мощности 12. The device includes (Fig. 1) a power source 1, a metering inductor 2 with a primary 2.1 and a secondary 2.2, windings, a transistor switch 3, a current sensor 4, a diode 5, a storage capacitor 6, a comparison circuit 7, a reference voltage source 8, controlled a master oscillator 9, a control trigger 10, an optocoupler 11, and an isolating power amplifier 12.

Устройство работает следующим образом. При подключении источника питания 1 к устройству ни один из выводов источника питания не закорачивается на землю ни непосредственно, ни через схему управления транзистором, как это было в прототипе. Напряжение на первом входе схемы сравнения 7 меньше уровня, заданного источником опорного напряжения 8 и сигнал на выходе схемы сравнения 7 отсутствует, частота работы управляемого задающего генератора 9 максимальна, период следования импульсов равен Т_о (фиг. 2, а). В момент времени t_o (фиг. 2, а) сигнал с выхода задающего генератора 9 переводит триггер управления 10 по входу 10.1 в состояние, при котором ключ 3 открывается (фиг. 2, в). В первичной обмотке 2.1 дозирующего дросселя начинает нарастать ток. Одновременно растет напряжение на выходе датчика тока 4 (фиг. 2, г). Благодаря использованию оптопары в новом качестве измерителя импульсных токов произошло существенное упрощение схемы устройства. Использование оптопары исключило попадание высокого напряжения с выводов дозирующего дросселя в низковольтную часть устройства. Когда напряжение на выходе датчика тока 4 достигает уровня ≈1,5 В, светодиод оптопары 11 вырабатывает световой сигнал (фиг. 2. б), а на выходе оптопары появляется электрический импульс, опрокидывающий триггер управления 10 по входу 10.2 (фиг. 2, в). Ключ запирается. Длительность импульса тока составляет τ₁. Энергия, накопленная в магнитном поле дозирующего дросселя 2, через вторичную обмотку 2.2 и диод 5 передается в накопительный конденсатор 6 (фиг . 2 д-ж). Отметим, что в случае насыщения дросселя 2 информация о начале процесса насыщения не теряется как в прототипе, а используется для быстрого выключения ключа 3. Так как напряжение на накопительном конденсаторе 6 в начальный момент равно нулю, дозирующий дроссель 2 успевает за время Т- τ₁ отдать лишь незначительную часть накопленной энергии (фиг. 2,д). Поэтому в момент времени t₁ очередного отпирания ключа 3 нарастание тока в первичной обмотке 2,1 дозирующего дросселя начнется уже не с нулевого уровня (фиг. 2, г). Так как максимальный уровень фиксирован значительно сокращается длительность замкнутого состояния ключа 3 до τ₁ мин (фиг. 2, в). Соответственно увеличивается длительность его разомкнутого состояния, когда энергия отдается в накопительный конденсатор 6, до τ₂ макс=Т_о- τ₁ мин фиг. 2, д) в конце заряда накопительного конденсатора. Момент времени (фиг. 2, а) является моментом равенства напряжения на первом входе схемы сравнения 7 и опорного напряжения заданного источником 8 на втором входе. В этот момент схема сравнения 7 вырабатывает сигнал, по которому частота следования импульсов управляемого задающего генератора 8 снижается. Частота уменьшается настолько, чтобы порции энергии, поступающие от источника питания в накопительный конденсатор за период Т₁>>Т_о, компенсировали только потери, обусловленные токами утечки (фиг. 2, е). Режим стабилизации напряжения на накопительном конденсаторе (потребляемая мощность незначительна) сохраняется вплоть до момента разряда накопительного конденсатора на нагрузку. После разряда накопительного конденсатора процессы в схеме повторяются.The device operates as follows. When connecting the power source 1 to the device, none of the pins of the power source is shorted to ground either directly or through the transistor control circuit, as was the case with the prototype. The voltage at the first input of the comparison circuit 7 is less than the level set by the reference voltage source 8 and there is no signal at the output of the comparison circuit 7, the frequency of the controlled master oscillator 9 is maximum, the pulse repetition period is T _o (Fig. 2, a). At time t _o (Fig. 2, a), the signal from the output of the master oscillator 9 transfers the control trigger 10 at the input 10.1 to the state in which the key 3 opens (Fig. 2, c). In the primary winding 2.1 of the metering inductor, current begins to increase. At the same time, the voltage increases at the output of the current sensor 4 (Fig. 2, g). Thanks to the use of optocouplers in the new quality of the pulse current meter, a significant simplification of the device circuit occurred. The use of an optocoupler eliminated the ingress of high voltage from the terminals of the metering inductor into the low-voltage part of the device. When the voltage at the output of the current sensor 4 reaches a level of ≈1.5 V, the LED of the optocoupler 11 produces a light signal (Fig. 2. b), and an electric pulse appears at the output of the optocoupler, overturning the control trigger 10 at the input 10.2 (Fig. 2, c ) The key is locked. The duration of the current pulse is τ ₁ . The energy stored in the magnetic field of the metering inductor 2, through the secondary winding 2.2 and the diode 5 is transferred to the storage capacitor 6 (Fig. 2 g). Note that in case of saturation of the inductor 2, information about the beginning of the saturation process is not lost as in the prototype, but is used to quickly turn off the key 3. Since the voltage across the storage capacitor 6 at the initial moment is zero, the metering inductor 2 has time for T-τ ₁ give only a small part of the accumulated energy (Fig. 2, e). Therefore, at time t _{1 of the} next unlocking of the key 3, the increase in current in the primary winding 2.1 of the metering inductor will no longer start from the zero level (Fig. 2d). Since the maximum level is fixed, the duration of the closed state of the key 3 is significantly reduced to τ ₁ min (Fig. 2, c). Accordingly, the duration of its open state increases when energy is given to the storage capacitor 6, to τ ₂ max = T _about - τ ₁ min FIG. 2e) at the end of the charge of the storage capacitor. The time (Fig. 2, a) is the moment of equality of voltage at the first input of the comparison circuit 7 and the reference voltage specified by the source 8 at the second input. At this point, the comparison circuit 7 generates a signal by which the pulse repetition rate of the controlled master oscillator 8 is reduced. The frequency decreases so that portions of energy coming from the power source to the storage capacitor for the period T ₁ >> T _o compensate only for losses caused by leakage currents (Fig. 2, f). The voltage stabilization mode at the storage capacitor (power consumption is negligible) is maintained until the storage capacitor is discharged to the load. After the discharge of the storage capacitor, the processes in the circuit are repeated.

Отметим, что в предлагаемом устройстве нет электрической связи вывода источника питания с триггером управления. Этим повышается помехоустойчивость устройства и разрывается еще один путь закорачивания на землю вывода источника питания. Note that in the proposed device there is no electrical connection between the output of the power source and the trigger control. This increases the noise immunity of the device and breaks another way of shorting to ground the output of the power source.

Следует отметить, что при выполнении оптопары с открытым оптическим каналом, при воспламенении деталей устройства, излучение пламени вызывает появление электрического сигнала на выходе оптопары, сброс триггера управления, выключение транзистора и прекращение подачи энергии в очаг возгорания. It should be noted that when performing an optocoupler with an open optical channel, when the device parts are ignited, the radiation of a flame causes the appearance of an electrical signal at the output of the optocoupler, resetting the control trigger, turning off the transistor, and cutting off the energy supply to the ignition site.

Благодаря устранению закорачивания вывода источника питания на землю, использованию оптопары в новом качестве - измерителя импульсных токов - и последовавшем вследствие этого упрощении в схеме, давшем возможность исключить попадание высокого напряжения с выводов первичной обмотки дозирующего дросселя в низковольтную часть устройства и разорвать еще один путь закорачивания на землю вывода источника питания, сохранению информации о насыщении дозирующего дросселя и использованию ее для выключения транзистора, удалось повысить допустимый уровень входных напряжений устройства. Исключение электрической связи вывода источника питания с триггером управления через общий провод позволило повысить помехоустойчивость устройства. Due to the elimination of shorting of the output of the power source to the ground, the use of optocouplers in a new quality — a pulse current meter — and the subsequent simplification in the circuit, which made it possible to eliminate the ingress of high voltage from the terminals of the primary winding of the metering inductor into the low-voltage part of the device and to break another short-circuit path to the ground of the output of the power source, the storage of information about the saturation of the metering choke and its use to turn off the transistor, it was possible to increase the permissible The input voltage level of the device. The exception of the electrical connection of the output of the power source with the control trigger via a common wire allowed to increase the noise immunity of the device.

Макет устройства изготовлен по схеме, изображенной на фиг. 1. Устройство включает в себя источник питания - мостовой выпрямитель типа КЦ 405 с фильтрующим конденсатором 100 мкФ, дозирующий дроссель на базе трансформатора ТВС-90ЛЦ2-1 со снятыми обмотками, имеющими выводами 2,3...14, в качестве первичной обмотки используется обмотка с выводами 17, 18, в качестве вторичной обмотки с выводами 15, 16 транзистор типа КТ704, датчик тока - резистор 2 Ом, диод КЦ 106 Г, накопительный конденсатор 0,05 мкФ, схему сравнения на базе микросхемы К 140 УД8, оснащенной делителем напряжения из двух резисторов 1Г, включенных последовательно с резистором ЗМ, источник опорного напряжения 6В, управляемый задающий генератор, формирующий импульсы с максимальной длительностью 35 мкс, с периодом следования импульсов имеющим два значения - 140 мкс и ∞ , триггер управления, формирующий из импульсов длительностью 35 мкс импульсы с длительностью от 5 до 35 мкс, оптопару, состоящую из светодиода ЭЛ107Б и фотодиода КФДМ, разделенных воздушным промежутком 5 мм, и усилитель мощности, имеющий на выходе разделительный трансформатор с изоляцией на 1000 В. Кроме того использовался блок быстрого заряда накопительной емкости и набор нагрузочных сопротивлений. The device layout is made according to the circuit shown in FIG. 1. The device includes a power source - a bridge rectifier of type KTs 405 with a filtering capacitor of 100 microfarads, a metering inductor based on a transformer TVS-90LTS2-1 with removed windings having terminals 2,3 ... 14, the winding is used as the primary winding with terminals 17, 18, as a secondary winding with terminals 15, 16, a KT704 type transistor, a current sensor - a 2 Ohm resistor, a KC diode 106 G, a storage capacitor of 0.05 μF, a comparison circuit based on a K 140 UD8 chip equipped with a voltage divider of two 1G resistors connected in series with a 3M resistor, a 6V reference voltage source, a controlled master oscillator that generates pulses with a maximum duration of 35 μs, with a pulse repetition period having two values - 140 μs and ∞, a control trigger that generates pulses of 35 μs duration with pulses from 5 to 35 μs, an optocoupler consisting of an EL107B LED and a KFDM photodiode separated by an air gap of 5 mm, and a power amplifier having an isolation transformer with 1000 V isolation at the output. In addition, a fast charge unit was used. kopitelnoy tank and a set of load resistors.

Устройство работало при различных значениях сопротивлений нагрузки. Выдерживало кратковременные короткие замыкания. Устройство заряжало накопительную емкость от 0 до 3 кВ с последующим быстрым разрядом до 0 на частоте до 100 Гц. КПД заряда - 80%. В качестве нагрузки использовалась импульсная лампа ИСШ-400-3. The device worked at different values of the load resistances. Withstands short-term short circuits. The device charged the storage capacitance from 0 to 3 kV, followed by a quick discharge to 0 at a frequency of up to 100 Hz. Charge efficiency - 80%. An ISSh-400-3 flash lamp was used as a load.

Таким образом предлагаемое устройство имеет следующие преимущества. Оно работоспособно при подключении к источнику питания с повышенным уровнем напряжений на его выводах, имеет большую помехоустойчивость, надежность и упрощенную электрическую схему. Возможна параллельная работа большого количества таких устройств на общую нагрузку при питании от промышленной сети 50 Гц. При этом увеличивается срок бесперебойного питания накопительной емкости в пожарной обстановке. Thus, the proposed device has the following advantages. It is operable when connected to a power source with a high level of voltage at its terminals, has great noise immunity, reliability and a simplified electrical circuit. Parallel operation of a large number of such devices for a total load when powered from an industrial network of 50 Hz is possible. This increases the uninterruptible power supply of the storage tank in a fire situation.

Новая совокупность существенных признаков позволяет получить качественно новый эффект. A new set of essential features allows you to get a qualitatively new effect.

Решение соответствует критерию "Существенные отличия". The solution meets the criterion of "Significant differences".

Claims

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ КОНДЕНСАТОРА, включающее источник питания постоянного напряжения, параллельно которому подключена последовательная цепь из первичной обмотки дозирующего дросселя и транзисторного ключа, один вывод вторичной обмотки дозирующего дросселя подключен через обратный диод к первой обкладке накопительного конденсатора, обмотки включены согласно схеме сравнения, первый вход которой подключен к первой обкладке конденсатора, второй - к источнику опорного напряжения, выход - к входу управляемого задающего генератора, выход которого соединен с первым входом триггера управления, а выход триггера управления через изолирующий усилитель мощности подключен к управляющему входу транзисторного ключа, второй вывод источника опорного напряжения соединен с второй обкладкой конденсатора, отличающееся тем, что, с целью увеличения допустимого уровня входных напряжений и помехоустойчивости устройства при его упрощении, последовательно с транзисторным ключом включен датчик тока, выход которого подсоединен к входу оптопары с прямым прохождением лучей излучателя к приемнику, выход оптопары подключен к второму входу триггера управления, второй вывод вторичной обмотки дозирующего дросселя подключен к второй обкладке накопительного конденсатора. 1. DEVICE FOR CHARGING A CAPACITOR, including a constant voltage power supply, in parallel with which a serial circuit is connected from the primary winding of the metering inductor and the transistor switch, one terminal of the secondary winding of the metering inductor is connected through the return diode to the first lining of the storage capacitor, the windings are connected according to the comparison scheme, the first the input of which is connected to the first plate of the capacitor, the second to the source of the reference voltage, the output to the input of a controlled master oscillator, in the output of which is connected to the first input of the control trigger, and the output of the control trigger through an isolating power amplifier is connected to the control input of the transistor switch, the second output of the reference voltage source is connected to the second capacitor plate, characterized in that, in order to increase the permissible level of input voltage and noise immunity of the device when it is simplified, a current sensor is connected in series with the transistor switch, the output of which is connected to the input of the optocoupler with the direct passage of the emitter beams to the receiver, the output of the optocoupler is connected to the second input of the control trigger, the second output of the secondary winding of the metering inductor is connected to the second lining of the storage capacitor.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью увеличения надежности работы, оптопара выполнена с открытым оптическим каналом, а детали устройства находятся в поле зрения оптопары. 2. The device according to claim 1, characterized in that, in order to increase the reliability of operation, the optocoupler is made with an open optical channel, and the details of the device are in the field of view of the optocoupler.