ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ
POWER SOURCE FOR PULSE LOAD

Изобретение относится к области электротехники, в частности, преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания различного назначения.
Значительная часть различной радиоэлектронной аппаратуры потребляет электрическую энергию в виде кратковременных импульсов. Это радиопередающие устройства, установки для импульсной обработки металлов и др. [1, 2].
При проектировании источников питания важным является вопрос о необходимости гальванической развязки отрицательной шины питающей сети (бортсети), отрицательного вывода вторичного источника питания и отрицательного вывода потребителя. При исключении требования гальванической развязки обеспечивается существенное снижение объема и массы источника питания и повышение его надежности. Предполагаемое изобретение относится к источникам питания для импульсной нагрузки без ее гальванической развязки с сетью.
Известны источники питания для импульсной нагрузки, содержащие накопительный конденсатор, входной сглаживающий дроссель и преобразователь напряжения, рассчитанный на полную мощность потребителя. В состав преобразователя входят ключевые транзисторы, трансформатор и устройство управления [3-5]. Недостатками этого источника питания являются большие объем и масса и низкая надежность.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, которое может быть принято за прототип, является источник питания для импульсной нагрузки (без гальванической развязки сетью), который содержит накопительный конденсатор и сглаживающий (зарядный) дроссель [5, 6].
Достоинствами этого источника питания являются его простота, высокие надежность и КПД. Недостатками - нестабильность амплитуды импульсов тока нагрузки (напряжения на нагрузке), зависящей от нестабильности напряжения питающей сети, а также большое изменение мгновенной величины импульсов за время их действия (скос импульсов). Нестабильность параметров импульсов приводит к ухудшению функциональных характеристик потребителя, причем наиболее критичным, в частности для радиопередатчика, является скос импульсов. При этом, уменьшение нестабильности амплитуды импульсов может быть обеспечено при применении стабилизированной питающей сети, тогда как скол импульсов, при высоких требованиях потребителя к их прямоугольности, может быть уменьшена только путем увеличения емкости накопительного конденсатора. Однако, это приведет к значительному увеличению его объема и массы, т.к. величина скоса импульсов обратно пропорциональна емкости накопительного конденсатора. В предлагаемом источнике питания, содержащем в своем составе импульсный стабилизатор, по сравнению с известными источниками питания, емкость конденсатора может быть уменьшена при одинаковом скосе импульсов или величина скоса импульсов может быть уменьшена при одинаковой емкости конденсатора.
В предлагаемом источнике питания решается задача уменьшения нестабильности амплитуды импульсов тока и напряжения на нагрузке при одновременном уменьшении объема и массы накопительного конденсатора.
Для достижения технического результата в известный источник питания для импульсной нагрузки, состоящий из накопительного конденсатора и основного дросселя, введен высокочастотный повышающий импульсный стабилизатор напряжения с параллельным ключевым элементом, вход которого подключен к питающей сети, а выход - к накопительному конденсатору.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.
Источник питания содержит накопительный конденсатор 1, подключенный к питающей сети через основной (зарядный, сглаживающий) дроссель 2, высокочастотный повышающий импульсный стабилизатор напряжения с параллельным ключевым элементом, вход которого подключен к питающей сети, а выход - к накопительному конденсатору 2. Импульсный стабилизатор напряжения состоит из дополнительного дросселя 3, обратного диода 4, ключевого регулирующего транзистора 5 и устройства управления 6. Дополнительный дроссель 3 включен последовательно с обратным диодом 4 и включен параллельно основному дросселю 2, коллектор транзистора 5 подключен к аноду обратного диода 4, эмиттер транзистора подключен к общей шине источника питания, а его база - к выходу устройства управления 6.
Устройство управления 6 состоит из согласующего устройства 7, задающего генератора 8, времязадающего конденсатора 9, компаратора 10, операционного усилителя 11, резисторного делителя напряжения 12 и источника опорного напряжения 13. Инвертирующий вход операционного усилителя 11 подключен к средней точке резисторного делителя напряжения 12, подключенного к накопительному конденсатору 1, а неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к источнику опорного напряжения 13.
Устройство управления импульсного стабилизатора напряжения может быть выполнено и по другой, отличной от описанной, структурной схеме.
Нагрузка 14 подключена к выходу источника питания через коммутатор 15, который является принадлежностью функциональной аппаратуры, например радиопередатчика, и в состав источника питания не входит.
На фиг. 2 представлена структурная схема источника питания, в котором основной 2 и дополнительный дроссель 3 размещены на одном магнитопроводе и включены согласно.
Источник питания работает следующим образом.
Коммутатор 15 периодически замыкается и размыкается с частотой F и подключает нагрузку 14 к выходу источника питания. При разомкнутом коммутаторе, во время паузы между импульсами тока нагрузки, происходит заряд накопительного конденсатора 1 от питающей сети через основной дроссель 2, а также через дополнительный дроссель 3 и обратный диод 4 импульсного стабилизатора. При этом, дроссели 2 и 3 обеспечивают уменьшение бросков тока при включении источника питания, а также сглаживание пульсаций тока потребления при его работе.
В течение всего периода повторения импульсов тока нагрузки Т=1/F происходит передача энергии от питающей сети: в накопительный конденсатор 1 - при разомкнутом коммутаторе 15 или в нагрузку 14 - при замкнутом коммутаторе. Основная энергия поступает через основной дроссель 2, а дополнительная - через элементы импульсного стабилизатора -дополнительный дроссель 3 и обратный диод 4. Дополнительная энергия состоит из двух частей: первая часть передается непосредственно, без дополнительных преобразований при разомкнутом ключевом транзисторе 5, а вторая - предварительно запасается в дополнительном дросселе 2 во время замкнутого состояния ключевого транзистора 5. Частота переключений импульсного стабилизатора f примерно на порядок выше частоты импульсов нагрузки F.
При замкнутом коммутаторе 15 происходит передача энергии в нагрузку 14, которая складывается из двух составляющих. Первая составляющая - это часть энергии, запасенной в накопительном конденсаторе 1 во время паузы между импульсами нагрузки, а вторая - поступает непосредственно от питающей сети через основной дроссель 2, а также через дополнительный дроссель 3 и обратный диод 4 импульсного стабилизатора при разомкнутом ключевом транзисторе 5.
В течение периода Т коэффициент заполнения импульсного напряжения стабилизатора  изменяется следующим образом. Во время паузы между импульсами тока нагрузки, в момент размыкания коммутатора 15,  имеет максимальное значение и начинает уменьшаться. При замыкании коммутатора 15  имеет минимальное значение. С этого момента  начинает снова возрастать и доходит до максимального значения. Далее процесс повторяется. Таким образом, в течение всего периода Т система автоматического регулирования импульсного стабилизатора устанавливает значение  таким, чтобы обеспечивалась минимальная нестабильность и практически прямоугольная форма импульсов тока нагрузки (минимальный скос импульсов). Импульсный стабилизатор обеспечивает стабилизацию мгновенного значения напряжения на выходе источника питания (на накопительном конденсаторе 1) с коэффициентом стабилизации, определяемом параметрами устройства управления 6.
Вследствие того, что выходное напряжение параллельного импульсного стабилизатора при любом  больше, чем его входное напряжение, обеспечивается возможность получения амплитуды импульсов напряжения на нагрузке большей, чем напряжение питающей сети. При этом мощность импульсного стабилизатора значительно меньше мощности всего источника питания, т.к. стабилизатор обеспечивает только небольшую часть его мощности, необходимую для того, чтобы скорректировать форму импульсов тока нагрузки. Частота импульсного стабилизатора f во много раз выше, чем частота импульсов нагрузки F. Вследствие этого, введение импульсного стабилизатора незначительно увеличивает объем и массу источника питания. При выборе оптимального соотношения между емкостью накопительного конденсатора и мощностью импульсного стабилизатора обеспечиваются минимальные объем и масса источника питания.
Источник питания, схема которого приведена на рис. 2, работает аналогично с источником питания, схема которого изображена на рис. 1. При использовании объединенного дросселя с основной 2 и дополнительной 3 обмотками, расположенными на одном магнитопроводе, обеспечивается уменьшение объема и массы источника питания.
Новым в изобретении является введение в источник питания для импульсной нагрузки (без гальванической развязки с питающей сетью), содержащий накопительный конденсатор и сглаживающий дроссель, высокочастотного повышающего импульсного стабилизатора напряжения, частота которого не менее чем на порядок выше, чем частота импульсов тока нагрузки, включенного параллельно сглаживающему дросселю.
На основании изложенного может быть сделан вывод, что предлагаемое устройство обеспечивает положительный эффект.
Литература
1. Рогинский В.Ю. Расчет устройств электропитания аппаратуры электросвязи. М.: Связь, 1972, с. 236-248.
2. Кныш В.А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов. Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981.
3. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 113-182.
4. Виленкин А.Г. Импульсные транзисторные стабилизаторы напряжения. М.: Энергия, 1970, с. 4-29.
5. Микроэлектронные системы. Применение в радиоэлектронике / Ю.И. Конев, Г.Н. Гулякович, К.П. Полянин и др. Под ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1987, с. 68-186.
6. Шуваев Ю.Н., Соловей Б.З. Система вторичного электропитания. Авт. свид. №1802897, H02J 9/06, Б.И., 1993, №10.
7. Шуваев Ю.Н. Системы вторичного электропитания для импульсной нагрузки без гальванической развязки с сетью. Электронные компоненты, 2013, №1.