ОДНОТАКТНЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при построении вторичных источников электропитания, бесперебойных систем электроснабжения, электронных балластов, регулируемых электроприводов.
Известна схема однотактного понижающего преобразователя, содержащая силовой ключ, диод и дроссель, в котором силовой ключ связан с положительным выводом силового источника питания. Управляющий электрод силового ключа связан с выходом узла управления ("драйвера"), питаемого от "плавающего" конденсатора. Конденсатор через дополнительный диод заряжается от вспомогательного или непосредственно от силового источников питания. Минусовой вывод вспомогательного источника питания подключен к минусовому выводу силового источника питания и к минусовому входному выводу преобразователя [1].
Данная схема может успешно работать в широком диапазоне напряжений питания, но ее возможности по реализации ряда законов управления ограничены. Это связано с принципом организации питания драйвера расположенного "вверху" силового ключа, который способен формировать сигнал управления ключом только до тех пор, пока не разрядится питающий его "плавающий" конденсатор. Если длительность внешнего сигнала управления больше времени разряда конденсатора, ключ естественным образом запирается, и преобразователь уже не способен работать в штатном режиме. Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к описываемой полезной модели.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является расширение функциональных возможностей устройства при сохранении его структурной и схемотехнической простоты.
Технический результат достигается за счет того, что однотактный понижающий преобразователь напряжения, содержит связанный с первым входным выводом силовой ключ, имеющий управляющий, плюсовой силовой и минусовой силовой электроды, силовой диод, катодом подключенный к минусовому электроду силового ключа, а анодом - к второму входному и второму выходному выводам, дроссель, соединяющий точку соединения силового ключа и силового диода с первым выходным выводом, узел управления, подключенный выходом к управляющему электроду силового ключа и имеющий первый и, подключенный к минусовому электроду силового ключа, второй выводы питания, между которыми подключен конденсатор, выводы вспомогательного источника питания, первый из которых через дополнительный диод подключен к первому выводу питания узла управления, а второй - к второму входному выводу, выходом подключенный к входу узла управления логический элемент исключающее ИЛИ, первый вход которого связан с управляющим выводом, а второй вход - с выходом генератора импульсов.
На чертеже фиг.1 приведена схема полезной модели.
Устройство содержит соединенные друг с другом и подключенные между первым 1 и вторым 2 входными выводами силовой ключ 3 и силовой диод 4. Точка соединения силового ключа и силового диода через дроссель 5 связана с первым выходным выводом 6. Второй выходной вывод 7 подключен к второму входному выводу. Выход узла управления 8 связан с управляющим электродом силового ключа 3, а вход - с выходом логического элемента исключающее ИЛИ 9. Первый вход логического элемента исключающее ИЛИ 9 связан с управляющим выводом 10, а второй - с генератором импульсов 11. Первый вывод 12 вспомогательного источника питания через вспомогательный диод 13 подключен к конденсатору 14, а второй вывод 15 - к второму входному выводу 2.
Устройство работает следующим образом.
Пусть конденсатор 14 заряжен и питает узел управления 8, разряжаясь через его внутренние цепи. При наличии на управляющем выводе 10 сигнала, соответствующего открытому состоянию силового ключа 3, узел управления 8 отпирает силовой ключ 3, и от источника питания, подключаемого к входным выводам 1 и 2, через силовой ключ 3 и дроссель 5 в нагрузку, подключаемую к выходным выводам 6 и 7, течет ток.
При снятии сигнала с управляющего вывода 10 узел управления запирает силовой ключ 3, и ток нагрузки начинает замыкаться по контуру, образованному дросселем и силовым диодом 4. Конденсатор 14 через дополнительный диод 13 и открытый силовой диод 4 заряжается от вспомогательного источника питания, подключаемого к выводам 12 и 15.
При последующей смене сигнала на управляющем выводе 10 процессы в схеме повторяются. Конденсатор 14 заряжен и может эффективно питать узел управления 8, формирующий сигнал отпирания силового ключа 3.
Если ток дросселя 5 непрерывен, и времена открытого и закрытого состояний ключа 3 таковы, что конденсатор 14, с одной стороны, не успевает разряжаться ниже некоторого критического для питания узла управления 8 уровня, а, с другой стороны, эффективно подзаряжается, схема работает устойчиво и нормально реагирует на сигналы на управляющем выводе 10.
Если определяемое сигналом на управляющем выводе время, в течение которого силовой ключ должен быть открыт, превышает время, которое разряжающийся конденсатор 14 может нормально питать узел управления 8, последний, при достижении напряжения на конденсаторе критического значения независимо от состояния внешнего сигнала управления снимает сигнал на своем выходе. Силовой ключ 3 несанкционированно закрывается, ток нагрузки замыкается через силовой диод 4, и конденсатор 14 начинает заряжаться. При достижении напряжения на конденсаторе уровня, достаточного для формирования узлом управления сигнала отпирания ключа 3 последний открывается, силовой диод 4 закрывается, и конденсатор разряжается через внутренние цепи узла управления 8. Поскольку время заряда конденсатора определялось только моментом достижения напряжения на нем уровня, достаточного для отпирания силового ключа, запасенной конденсатором энергии недостаточно для дальнейшего поддержания ключа в открытом состоянии. Сигнал с выхода узла управления снимается, силовой ключ закрывается, и если к этому времени состояния сигнала на управляющем выводе 10 не изменилось, процессы в схеме начинают повторяться. Таким образом, при определенных условиях возможен переход преобразователя в режим автогенерации с частотой, определяемой емкостью конденсатора 14 и внутренними параметрами элементов схемы.
В режимах, близких к холостому ходу, когда время открытого состояния силового ключа мало, а закрытого, наоборот - велико, ток дросселя может стать прерывистым. Силовой диод 4 находится в проводящем состоянии очень короткое время. После спада тока дросселя до нуля диод 4 закрывается, и заряд через него конденсатора 14 прекращается. Конденсатор начинает разряжаться через внутренние цепи узла управления 8. Если конденсатор успевает разрядиться до некоторого критического уровня, то к моменту последующей смены сигнала на управляющем выводе 10 узел управления 8 будет не способен сформировать сигнал отпирания силового ключа 3. Схема утрачивает способность реагировать на управляющие сигналы, и ее нормальная работа прекращается.
Для предотвращения возникновения ненормальных режимов преобразователь снабжен генератором импульсов 11, выходной сигнал которого суммируется с сигналом на управляющем выводе 10 с помощью логического элемента исключающее ИЛИ 9. Благодаря логике работы элемента исключающее ИЛИ, выходной сигнал генератора 11 при отпирающем сигнале на управляющем выводе 10 инициирует запирание силового ключа 3 и, соответственно, отпирание силового диода 4, что обеспечивает цепь для подзаряда конденсатора 14, а при запирающем сигнале на управляющем выводе 10, наоборот - отпирание силового ключа 3 с последующим его запиранием, тем самым обеспечивая протекание тока через силовой диод 4 и, следовательно, образуя контур для подзаряда конденсатора 14.
Частота следования и длительность импульсов генератора 11 должны выбираться так, чтобы был обеспечен надежный заряд конденсатора 14 в любых режимах работы преобразователя, и, в то же время, импульсная последовательность не должна оказывать заметного влияния на основные процессы в схеме, определяемые управляющим сигналом,
Использование данной схемы позволяет применять простой принцип "плавающего" конденсатора для управления силовым ключом однотактного понижающего преобразователя практически при любом законе управления, не вводя каких-либо ограничений на частоту и скважность управляющих сигналов.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
1. Lazslo Kiraly "Накопление заряда в бутстрепной емкости в понижающих конверторах" - International Rectifier - Technical Information DT-94-1A\www.irf.com\technical-info\designtp\dt94-1.pdf