SU1367112A1 - Преобразователь посто нного напр жени в посто нное - Google Patents

Abstract

Изобретение бтноситс  к электротехнике и может найти применение в устройствах электропитани . Цель - повышение надежности путем упрощени  схемы преобразовател . Устройство содержит регулирующий ключ, включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора,и две  чейки Кажда  из  чеек образована разделительным конденсатором и замкнутой цепью, состо щей из последовательно соединенных диода, вторичной обмотки трансформатора и нагрузки, шунтированной конденсатором фильтра. Дополнительна  обмотка включена между точками соединени  разделительного конденсатора с вторичной обмоткой второй  чейки и точкой соединени  диода и нагрузки этой же  чейки. В данном решений уменьшено количество обмоток, обтекаемьрс током. 3 з.п. ф-лы, 4 ил. с « (Л

Description

со

О)

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитани  систем радиотехники автоматики и вычислительной техники.

Целью изобретени   вл етс  повышение надежности путем упрощени  схемы преобразовател .

На фиг.1 изображена электрическа1 система преобразовател  посто нного напр жени  в посто нное двупол рное; на фиг.2 - преобразователь (параллельно с одним из диодов установлен вспомогательный управл емый ключ); на фиГоЗ - трансформатор (содержит вспомогательную обработку и последовательно с вспомогательным ключом установлена первична  обмотка дополнительно введенного индуктивного элемента); на фиг.4 - преобразователь (дополнительно содержит задающий генератор, формирователь сигнала управлени  регулирующего ключа, усилитель обратной св зи с резистивным делителем и источником опорного напр жени , а также токозадающий двухполюсных, хронирующий конденсатор , фиксируюище диоды и компаратор с согласующей цепью).

Преобразователь посто нного напр жени  в посто нное двухпол рное состоит из регулирующего ключа в виде двухпол рного п-р-п-транзистора 1, трансформатора 2 с первичной 3, второй 4, третьей 5, четвертой 6 и п той 7 обмотками, первого 8 и второго 9 разделительных конденсаторов, первого 10 и второго II диодов, конденсаторов 12 и 13 фильтра, подключенных к выходным выводам, вспомогательного управл емого ключа 14 в видр бипол рного п-р-п-транзистора , обратного диода 15, индуктивного элемента 16, с первичной 17 и вторичной 18 обмотками, блокирующего диода 19, резистора 20 в цепи базы вспомогательного управл емого ключа 14, а также задающего генератора 21, формировател  22 сигнала управлени  регулирующего ключа, согласующей цепи 23, компаратора 24, усилител  25 обратной св зи, источника 26 опорного напр жени , резистивного делител  (27,28) напр жени , токо- задающего двухполюсника в виде резис тора 29, хронирующего конденсатора 30, фиксирующих диодов 31 и 32 и разр дного резистора 33

Работа преобразовател  напр жени  (фиг.1) в установившемс  режиме при непрерывном изменении магнитного потока в сердечнике трансформатора 2 и равенстве витков обмоток 4-6 сводитс  к следующему

Во включенном состо нии регулирующего ключа I на всех обмотках трансформатора возникает ЭДС самоиндук- . ции с положительным потенциалом на началах соответствующих обмоток относительно их концов. Поскольку разделительные конденсаторы 8 и 9 в уста- новившемс  режиме работы зар жены с пол рностью, указанной на фиг,1, то включение регулирующего ключа 1 приводит к запиранию диодов 10 и По На этом интервале работы ток нагрузки протекает через обмотку 6 в направлении от конца к началу обмотки , разделительный конденсатор 9 (от отрицательной обкладки к положительной ) и обмотку 4, а ток нагрузки другой пол рности замыкаетс  через обмотку 5, разделительный конденсатор 8 в направлении от отрицательной обкладки к положительной и обмотку 6 (от начала к концу)о

В каждом из рассмотренных контуров протекани  токов напр жени  на обмотке 6 направлено встречно напр жению на обмотках 4 и 5, а ток обмотки 6 равен разности токов в

обмотках 4 и 5. Основным поставщиком энергии в нагрузке на указанном этапе работы  вл ютс  соответствующие разделительные конденсаторы и конденсаторы фильтра.

Разр д конденсаторов определ ет наличие пульсаций выходного напр жени . Однако учет неидеальности трансформатора , обусловленной наличием потоков рассе ни  между обмотками 4 6 и выбор соответствующих коэффициентов св зи между обмотками, позвол ет практически свести к нулю пульсации напр жени  на нагрузке После выключени  регулирующего ключа 1

пол рности ЭДС на всех обмотках транзистора измен ютс  на противоположные , что приводит к отпиранию диодов 10 и По

При этом энерги , запасенна  в магнитном поле сердечника трансформатора на предыдущем этапе работы, вызывает по вление токов намагничивани  в обмотках 4-6, протекакщих

313

во всех обмотках в одном и том же направлении - от начала обмотки к концу. Ток обмотки 4, замыка сь через нагрузку и диод 10, обеспечивает передачу энергии в нагрузку и зар д конденсатора 12 фильтра, ток обмотки 6, замыка сь через диод 11 и нагрузку , обеспечивает передачу энергии в нагрузку и зар д конденсатора 13 фильтра Одновременно ток обмотки 6, замыка сь через диод 10 и разделительный конденсатор 9, восполн ет потери энергии в указанном конденсаторе на предьщущем этапе работы, Аналогично этому ток обмотки 5, замыка сь через диод 11 и конденсатор 8, восполн ет потери энергии в последнем ,

Определим регулировочную характе- ристику предлагаемого преобразовател  в предположении идеальности всех элементов и равенстве витков обмоток 4-6 трансформатора. Обозначим через п отношение чисел витков указан- ных обмоток к числу витков первичной обмотки и предположим преобразователь идеальным Тогда на каждой из обмоток во врем  провод щего состо ни  регу- лиругацего ключа действует напр жение, равное по величине пЕ, где Е - напр жение входного источника

Когда регулирующий ключ разомкнут. напр жени  на обмотках имеют противоположную пол рность и равны по абсолютной величине следующим величинам: и,Ц„ , где U,- - напр жение на элементе i. Поскольку напр жени  на всех обмотка;х равны вследствие равенства числа витков, а U,j и и соответственно определ ют абсолютные значени  напр жений на нагрузках, то дл  определени  регулировочной характеристики достаточно найти значение среднего напр  жени  на любом из разделительных конденсаторов Это можно сделать, приравн в вольтсекундные площади на любой из обмоток на этапах включенного и выключенного состо ни  регули рующего ключа 1 Если обозначить через V относительную к периоду Т переключени  длительность провод щего состо ни  ключа 1, то получаем

(1-у), ,(l-r),

где и, .- сравнение напр жени  на конденсаторах 12 и 13

5

0 5 о

0 5 g

5

5

Пол рности найденных напр жений противоположны относительно общего выходного вывода,

Рассмотренньш режим работы и найденные регулировочные характеристики справедливы при непрерывном изменении магнитного потока в сердечнике трансформатора 2, При х,олостом ходе преобразователь, представленный на , не работоспособен

Дл  обеспечени  работоспособности при малых токах нагрузки в преобразователе , изображенном на фиг,2, параллельно диоду 11 установлен вспомогательный , управл емый ключ 14 и встречно-параллельно ключу 1 включен обратный диод 15 При этом ключи 1 и 14 управл ютс  синхронно ипроти- вофазно. так, что-во включенном состо нии ключа 1 вспомогательный ключ 14 выключен и наоборот

Тогда при нулевых токах и в нагрузках в первую половину промежутка времени у Т ток в первичной обмотке 3 трансформатора 2 имеет отрицательное направление (вытекает из начала обмотки ) и замыкаетс  через обратный диод 15, а во вторую половину - через регулирующий ключ 1

В выключенном состо нии ключа 1 ток в обмотке 5 в первую половину промежутка времени (1-г)Т имеет положительное направление (втекает в начало обмотки) и замыкаетс  через диод 11, а во вторую половину - через включенный вспомогательньй ключ 14 При этом обеспечиваетс  режим непрерывного изменени  магнитного потока в сердечнике трансформатора 2, который перемагничиваетс  по симметричному частному циклу. Средние значени  напр жений на конденсатог pax в этом случае определ ютс  так же, как при 1 аботе в нормальном режиме

Дл  управлени  вспомогат.ельным ключом 14 преобразователь, приведенный на фиг,3, имеет п тую обмотку 7, котора  через последовательно- включенный с ней ограничивающий резистор 20 подключена к управл ющему входу ключа

Фазировка подключени  обмотки 7 выбрана такой, что во включенном состо нии регулирующего ключа 1 ключ 14 автоматически находитс  в выключенном состо нии. При каждом очередном , включении регулирующего ключа 1

ключ 14 находитс  в провод щем состо нии и запирание его осуществл етс  только после включени  ключа 1, Вследствие инерционности ключа 14 через него в момент включени  регулирующего ключа 1 . могут протекать неконтролируемо большие токи, Дп  их ограничени  в преобразователе(фиг,3) последовательно с ключом 14 включена первична  обмотка 17 индуктивного элемента 16, ограничивающа  рост тока в момент переключени . После выключени  ключа 14 накопленна  в сердечнике магнитного элемента 16 энер- ги  рекуперируетс  в конденсатор 9 по обмотке 18 через открывающийс , блокирующий диод 19,

Дл  стабилизации выходных напр жний преобразователь, представленный на фиГо4, дополнительно содержит элементы, обеспечивающие работу в режиме широтно-импульсного регулировани  при посто нной частоте коммутации „ Принцип его работы состоит в следующем. Если на выходе формировател  22 установлен низкий потенциал, то регулирующий ключ I выключен, а диоды 10 и 11 наход тс  в провод щем состо нии. Если за нулевой прин ть потенциал конца обмотки 5, то на начале этой обмотки, св занном с разр дным резистором 33 действует отрицательное напр жение, равное по величине пЕ(1-у), а в точке соединени  токозадающего резистора 29 и диода 10 такое же по величине, но положительное напр жение. Если сопротивлени  резисторов 33 и 29 выбраны так, что ток, протекающий по первому из них, больше тока, протекающего по второму, то открываетс  фиксирующий диод 32, через который замыкаетс  разность указанных токов. При этом напр жение на хронирующем конденсато- ре 30 равно нулю, а компаратор 24 должен находитьс  в таком состо нии, чтобы отсутствовал сигнал, воздействующий на второй вход формировател  22 Работа вспомогательного ключа 14 осу- ществл етс  так, как это описано. При возникновении управл ющего сигнала на выходе задающего генератора 21 формирователь 22 переводитс  в состо ние , при котором регулирующий ключ 1 включаетс , что приводит к изменению пол рности напр жени  на всех обмотках трансформатора 2, Изменение пол рности на обмотке 5 приводит к запиранию диодов 31 и 32 схемы фиксации, и хронирующий конденсатор 30 зар жаетс  через резистор 29, Когда напр жение на конденсаторе 30 равно выходному напр жению усилител  25 обратной св зи, установленному на первом входе компаратора

24,на выходе последнего формируетс  сигнал, который через согласующую цепь воздействует на второй

вход формировател  22 и переводит ег в состо ние, при котором регулирующий ключ 1 выключаетс .

Будем считать, что изменение напр жени  на хронирующем конденсаторе 30 существенно меньше напр жени , действующего в зар дной цепи. Это последнее определ етс  суммой напр жений на конденсаторах 8 и 9 и напр жением на обмотке 5, Поскольку напр жени  на конденсаторах равны, а напр жение на обмотке 5 равно пЕ, то ток зар да конденсатора 30 можно определить выражением Ic(nE+2Uf n )/R25 где R23 - сопротивление резистора 29 Поэтому (nE+2U), где Ер- выходное напр жение усилител 

25,а С - емкость хронирующего конденсатора 30,

Если подставить найденное значение в выражение регулировочной характеристики , продифференцировать полученное соотношение по Е и приравн ть производную нулю, получим соотношение, которое необходимо учитывать при реализации схемы управлени  2и„п E(,CR29/To При этом цепь, состо ща  из токозадающего двухполюсника и хронирующего конденсатора, обеспечивает стабилизацию выходных напр жений при изменени х входного напр жени  и непосредственно реагирует на изменени  последнего, а усилитель обратной св зи осуществл ет обработку относительно небольших изменений выходных напр жений, обусловленных изменением токов нагрузок и параметров, вход щих в приведенные вьш1е соотношени  о

Таким образом, предлагаемьй преобразователь имеет лишь три обмотки на вторичной стороне, следствием чего  вл етс  упрощение преобразовател  и увеличение коэффициента полезного действи , так как уменьшаетс  количество обмоток, обтекаемых током, а на первом этапе работы при

равных токах нагрузки ток is обмотке 6 равен нулю.

Claims (2)

1.Преобразователь посто нного напр жени  в посто нное, содержащий трансформатор, первична  обмотка которого включена последовательно с регулирующим ключом между входными выводами, втора  и треть  обмотки трансформатора присоединены первыми выводами к крайним выходным выводам, соединенным между собой через два конденсатора фильтра, обща  точка которых подключена к среднему выходному выводу, присоединенному к первым выводам первого диода и четверто обмотке трансформатора, второй вывод которого соединен через и ер вый разделительный конденсатор с вторым выводом третьей обмотки, второй разделительный конденсатор, подключенный первым выводом ко второму выводу первого диода, второй диод и блок управлени , отличающийс  тем, что,с целью повышени  надежности путем упрощени  схемы преобразовател , -второй вывод второго разделитель ного конденсатора подключен к второму выводу второй обмотки, а второй диод включен между первым и вторым выводами соответственно третьей и четвертой обмоток,

2.Преобразователь по п,, о т - личающийс  тем, что параллельно с одним из диодов установлен вспомогательный управл емый ключ с цеп ми управлени , обеспечивающими

его синхронно-противофазную работу с регулирующим ключом, встречно-параллельно которому включен обратный диод. -

.-

5

10 15 й 20 30 35

до

45

25

Зо Преобразователь по п.2, о т - личающийс  тем, что цепи управлени  выполнены в виде п той обмотки трансформатора, подключенной через резистор к управл ющему входу вспомогательного управл емого ключа, последовательно в силовую цепь которого включена первична , обмотка введенного индуктивного элемента, вторична  обмотка которого через блокирующий диод подключена к выводам одного из разделительных конденсаторов,

4с, Преобразователь по ппо1 - 3, о тличающийс  тем, что блок управлени  состоит из задающего генератора, выход которого подключен к первому входу формировател  сигнала управлени , выход которого присоединен к управл ющему входу регулирующего ключа, а второй вход соединен через согласующую цепь с выходом компаратора , первый вход которого подключен к выходу усилител  обратной св зи, а второй вход - к точке соединени  хронирующего конденсатора, шунтированного цепью из двух фиксирующих диодов, включенных встречно- последовательно, и токостабилизирующего двухполюсника, второй вывод которого подсоединен к первому выводу второго разделительного конденсатора, резистивного делител  напр жени , включенного между крайними выходными выводами, средн   точка которого подключена к первому входу усилител  обратной св зи, второй вход которого присоединен к источнику опорного напр жени , при этом второй вывод хронирующего конденсатора подключен к первому выводу третьей обмотки трансформатор, а средн   точка цепи из двух фиксирующих диодов соединена через разр дный резистор с вторым выводом третьей обмотки трансформатора.

I

Ю

J

6

8

n

т 0

2s://

.;

3 -.

тП

tp as

tLi

ki/y. 2i//x

fn.

Й/г7

0tf2j

«а

-сэ

-Soryw

«

н

if

«Vi

у

Ж

ЕЯ

5 )

.

10