ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ПОВЫШЕННЫМ КПД

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении импульсных источников электропитания.
Известны преобразователи постоянного напряжения, в которых выходное напряжение вырабатывается на выходе трансформаторно-выпрямительного узла, на входе которого с помощью ключа из входного напряжения формируется импульсная последовательность. Ключ управляется от широтно-импульсного модулятора (ШИМ), который своим входом сигнала обратной связи подключен к выходу усилителя обратной связи [1]. Частота коммутации ключа постоянна и определяется емкостью конденсатора, подключаемого на вход задающего генератора ШИМ. Чтобы выходное напряжение при малой нагрузке или «холостом ходе» на выходе не выходило из зоны стабилизации, на выход преобразователя подключают подгрузочный резистор.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный преобразователь постоянного напряжения, приведенный в [2]. Его функциональная схема показана на фиг. 1. Преобразователь постоянного напряжения содержит трансформаторно-выпрямительный узел, выходные выводы которого являются выводами выходного напряжения, первый входной вывод является первым выводом входного напряжения, а второй входной вывод через ключ соединен со вторым выводом входного напряжения, широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен с управляющим входом ключа, вход задания частоты через первый конденсатор - с вторым выводом входного напряжения, а вход сигнала обратной связи - с первым выходом узла обратной связи, второй выход которого соединен с вторым выводом входного напряжения, входы узла обратной связи подключены к соответствующим выводам выходного напряжения, к которым подключен подгрузочный резистор.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются трансформаторно-выпрямительный узел, выходные выводы которого являются выводами выходного напряжения, первый входной вывод является первым выводом входного напряжения, а второй входной вывод через ключ соединен с вторым выводом входного напряжения, широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен с управляющим входом ключа, вход задания частоты которого через первый конденсатор подключен к второму выводу входного напряжения, а вход сигнала обратной связи - к первому выходу узла обратной связи, второй выход которого соединен с вторым выводом входного напряжения, входы узла обратной связи подключены к соответствующим выводам выходного напряжения.
Стабилизация выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения осуществляется регулированием коэффициента заполнения выходного импульса ШИМ
Кз = tи / Т, где
- tи - длительность выходного импульса ШИМ;
- Т - период работы генератора ШИМ.
Выходной импульс ШИМ управляет работой ключа, модулирующего входное напряжение. При уменьшении выходного тока сигнал на выходе усилителя обратной связи увеличивается, что приводит к уменьшению коэффициента заполнения вплоть до минимально возможного значения. При «холостом ходе» на выходе требуется крайне малый коэффициент заполнения, который ШИМ реализовать не может. Вследствие этого при уменьшении выходного тока преобразователь выходит из режима стабилизации выходного напряжения. Выходное напряжение увеличивается и выходит из зоны допуска. Чтобы этого не происходило на выход преобразователя подключают подгрузочный резистор Rп, устраняя таким способом режим «холостого хода». Стабилизация выходного напряжения не нарушается, однако на
подгрузочном резисторе Rп постоянно рассеивается 24% от выходной мощности преобразователя, даже когда преобразователь напряжения нагружен внешней нагрузкой и дополнительной подгрузки не требуется.
К недостаткам указанного технического решения можно отнести уменьшенные КПД и выходную мощность, т.к. подгрузочный резистор постоянно рассеивает часть мощности, вырабатываемой преобразователем.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является увеличение КПД и выходной мощности преобразователя постоянного напряжения.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается преобразователь постоянного напряжения с повышенным КПД, содержащий трансформаторно-выпрямительный узел, выходные выводы которого являются выводами выходного напряжения, первый входной вывод является первым выводом входного напряжения, а второй входной вывод через ключ соединен со вторым выводом входного напряжения, широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен с управляющим входом ключа, вход задания частоты через первый конденсатор - с вторым выводом входного напряжения, а вход сигнала обратной связи - с первым выходом узла обратной связи, второй выход которого соединен с вторым выводом входного напряжения, входы узла обратной связи подключены к соответствующим выводам выходного напряжения, причем в него введен второй конденсатор, регулирующий элемент и делитель напряжения, второй конденсатор одним выводом подключен к входу задания частоты широтно-импульсного модулятора, а вторым через регулирующий элемент - к второму выводу входного напряжения, управляющий вход регулирующего элемента соединен со средней точкой делителя напряжения, подключенного крайними выводами к выходам узла обратной связи.
Введение в устройства дополнительных элементов и неочевидных связей позволили исключить подгрузку преобразователя напряжения во всех режимах работы, что увеличивает КПД и выходную мощность.
Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а, следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования и не требует регулировки, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.
На фиг. 2 приведена функциональная схема преобразователя постоянного напряжения с повышенным КПД. Предлагаемый преобразователь напряжения с повышенным КПД содержит трансформаторно-выпрямительный узел 1, ключ 2, широтно-импульсный модулятор 3, первый конденсатор 4, второй конденсатор 5, регулирующий элемент 6, делитель напряжения 7 и узел обратной связи 8.
В предлагаемом преобразователе постоянного напряжения с повышенным КПД выходные выводы трансформаторно-выпрямительный узла 1 являются выводами выходного напряжения, первый входной вывод является первым выводом входного напряжения, а второй входной вывод через ключ 2 соединен с вторым выводом входного напряжения. Выход широтно-импульсного модулятора 3 соединен с управляющим входом ключа 2, вход задания частоты широтно-импульсного модулятора через первый конденсатор 4 соединен с вторым выводом входного напряжения, а вход сигнала обратной связи - с первым выходом узла обратной связи 8, второй выход которого соединен со вторым выводом входного напряжения. Входы узла обратной связи 8 подключены к соответствующим выводам выходного напряжения. Второй конденсатор 5 одним выводом подключен к входу задания частоты широтно-импульсного модулятора 3, а вторым выводом через регулирующий элемент 6 -к второму выводу входного напряжения. Управляющий вход регулирующего элемента 6 соединен со средней точкой делителя напряжения 7, подключенного крайними выводами к выходам узла обратной связи 8.
Работа предлагаемого преобразователя постоянного напряжения с повышенным КПД в режиме стабилизации выходного напряжения при выходной мощности, близкой к номинальной, происходит аналогично прототипу. При уменьшении выходного тока постоянное напряжение на выходе узла обратной связи 8 также увеличивается, а длительность выходного импульса широтно-импульсного модулятора 3 уменьшается. При некотором уровне нагрузки, например, 2030% от номинальной, устанавливаемой на этапе регулировки преобразователя соотношением резисторов R1 и R2 делителя напряжения 7, напряжение на управляющем входе регулирующего элемента 6 увеличивается до уровня, когда последний открывается, подключая к первому (частотозадающему) конденсатору 4 дополнительно второй конденсатор 5. Суммарная емкость конденсатора, подключенного на вход задания частоты широтно-импульсного модулятора 3, увеличивается, а частота выходного импульса уменьшается (увеличивается период Т). Чем меньше выходной ток преобразователя и больше входное напряжение, тем больше напряжение на выходе узла обратной связи 7, тем больше открывается регулирующий элемент 6, тем меньше частота управляющего сигнала ключа 2. При малой нагрузке, когда коэффициент заполнения Кз выходного импульса ШИМ 3 уже не может уменьшаться по длительности, уменьшение коэффициента заполнения Кз происходит посредством увеличения периода импульса Т при неизменной его длительности tи. Таким образом, коэффициент заполнения импульса Кз ШИМ 3 получает возможность уменьшаться и далее. Выходное напряжение преобразователя остается стабильным вплоть до «холостого хода» на выходе без применения подгрузки.
Это означает, что КПД и выходная мощность преобразователя постоянного напряжения увеличились по сравнению с прототипом, что особенно важно, когда последний работает на мощностях, близких к максимальной.
Кроме того необходимо отметить, что изменение коэффициента заполнения Кз происходит непрерывно, поэтому при малых нагрузках в преобразователе не возникает никаких возбуждений.
Источники, используемые при написании заявки.
1. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989. - с. 139.
2. Конвертор напряжения. Патент РФ на полезную модель №35488, 2003 г.