ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к силовой электронике, в частности к вторичным источникам электрического питания от выпрямленной сети или от автономных источников постоянного напряжения, использующим преобразование постоянного напряжения в постоянное, и может быть использована для создания источников питания с постоянным напряжением.
Известен преобразователь постоянного напряжения (ПН) в постоянное с промежуточным преобразованием энергии постоянного тока в энергию переменного тока [1], включающий генератор, питающийся от источника постоянного напряжения, трансформатор с двумя обмотками, первая из которых является нагрузкой генератора, ключ для включения и отключения электропитания генератора, блок управления ключом, соединенные в последовательной цепи вторую обмотку трансформатора, выпрямительный мост, зарядный дроссель, накопительный конденсатор.
Когда напряжение на накопительном конденсаторе меньше заданного, блок управления включает ключ, генератор вырабатывает импульсное переменное напряжение на первой обмотке трансформатора. Импульсный переменный ток со второй обмотки трансформатора выпрямляется выпрямительным мостом и через дроссель начинает заряжать накопительный конденсатор. Блок управления ключом выключает ключ при достижении установленного максимального тока заряда накопительного конденсатора и включает ключ при достижении установленного минимального тока заряда накопительного конденсатора. При этом циклически происходит нарастание напряжения на накопительном конденсаторе до установленного значения.
В момент закрывания ключа на первой обмотке трансформатора возникает индуктивный выброс напряжения, связанный как с индуктивностью обмотки, так и с паразитными параметрами, и который может вывести из строя ключ и первую обмотку трансформатора.
Меры защиты ключа и первой обмотки трансформатора от выброса напряжения приняты в ПН [2], являющемся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбранном в качестве прототипа.
1
2
3
1
ПН содержит трансформатор с тремя обмотками W, W, W и ключ, служащий для замыкания и размыкания цепи первой обмотки W трансформатора, схему управления, выход которой через резистор соединен с управляющим выводом ключа.
1
1
При этом первый вывод первой обмотки W трансформатора предназначен для подачи на него постоянного напряжения положительной полярности с выпрямителя, второй вывод первой обмотки W трансформатора соединен с первым выводом ключа, а второй вывод ключа предназначен для подачи на него постоянного напряжения отрицательной полярности.
ПН имеет также первый и второй диоды, первый и второй конденсаторы.
2
В описываемой схеме первый вывод второй обмотки Wтрансформатора соединен с анодом первого диода, катод которого соединен с первым выводом первого конденсатора.
1
Для защиты первой обмотки W трансформатора от перенапряжения при размыкании ключа введена цепочка, в которой первый вывод ключа соединен с анодом второго диода, катод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, а второй вывод последнего предназначен для подачи на него постоянного напряжения положительной полярности с выпрямителя.
1
2
2
2
Обмотки W и W трансформатора соединены в схеме таким образом, что индуктивные импульсы напряжения на упомянутых обмотках имеют одинаковую полярность на "началах" обмоток (первый вывод первой обмотки W1 трансформатора и второй вывод второй обмотки W трансформатора) и противоположную (полярности на "началах" обмоток трансформатора) полярность на "концах" обмоток трансформатора (второй вывод первой обмотки W1 трансформатора и первый вывод второй обмотки W трансформатора). Это означает, что когда на первом выводе первой
2
обмотки трансформатора появился импульс напряжения положительной полярности, то на втором выводе второй обмотки W трансформатора возникает индуктивный импульс напряжения также положительной полярности.
Схема управления на микросхеме, содержащая цепь резистор-конденсатор, обеспечивает частоту работы ПН, составляющую около 25 кГц.
ПН работает от источника выпрямленного постоянного напряжения.
1
2
2
В течение первой части периода работы ПН схема управления открывает ключ. В первой обмотке W трансформатора течет ток, нарастающий со временем. Импульс напряжения на первом выводе первой обмотки W1 трансформатора имеет положительную полярность. Вследствие ранее указанной схемы соединения обмоток трансформатора импульс напряжения на втором выводе второй обмотки W трансформатора тоже имеет положительную полярность, а на первом выводе второй обмотки W трансформатора импульс напряжения имеет отрицательную полярность и приложен в обратном направлении к первому диоду, и в это время первый диод находится в закрытом состоянии.
1
2
2
В следующей части периода работы ПН схема управления ключом на микросхеме закрывает ключ. В этот момент полярность импульса напряжения на выводах обмоток W и W трансформатора, благодаря явлению самоиндукции меняется на противоположную. Первый диод открывается, ток второй обмотки W трансформатора заряжает первый конденсатор.
В момент закрывания ключа на втором выводе первой обмотки W1 трансформатора возникает индуктивный положительный выброс напряжения, связанный как с индуктивностью обмотки, так и с паразитными параметрами. В момент когда текущее значение напряжения этого выброса больше, чем напряжение на втором конденсаторе, второй диод открывается, и энергия индуктивного выброса напряжения перетекает во второй конденсатор.
1
Таким образом, первая обмотка W трансформатора и ключ защищаются от больших индуктивных выбросов напряжения.
В дальнейшем второй конденсатор разряжается через резистор. Видно, что цепь из второго диода и второго конденсатора является дополнительной нагрузкой трансформатора, а энергия индуктивного выброса напряжения бесполезно теряется.
Задачей полезной модели является повышение эффективности ПН за счет использования энергии индуктивного выброса напряжения на первой обмотке трансформатора.
Сущность полезной модели заключается в том, что в преобразователе напряжения, включающем трансформатор как минимум с двумя обмотками, ключ, схему управления, выход которой соединен с управляющим выводом ключа, первый и второй диоды, первый и второй конденсаторы, в котором первый вывод первой обмотки трансформатора предназначен для подачи на него постоянного напряжения положительной полярности, второй вывод первой обмотки трансформатора соединен с первым выводом ключа, второй вывод ключа предназначен для подачи на него постоянного напряжения отрицательной полярности, первый вывод ключа соединен с анодом второго диода, катод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, в отличие от прототипа, первый вывод второй обмотки трансформатора соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вывод второй обмотки трансформатора соединен с катодом первого диода, анод которого соединен с катодом второго диода, второй вывод первого конденсатора соединен с вторым выводом второго конденсатора и предназначен для подачи на него напряжения отрицательной полярности.
Соединение первого вывода второй обмотки трансформатора с первым выводом первого конденсатора, а также соединение второго вывода второй обмотки трансформатора с катодом первого диода, анод которого соединен с катодом второго диода, и соединение второго вывода первого конденсатора с вторым выводом второго конденсатора, предназначенного для подачи на него постоянного напряжения отрицательной полярности, позволяет, во-первых, заряжать второй конденсатор до напряжения
источника постоянного питающего напряжения ПН в то время, когда ключ закрыт, во-вторых, заряжать второй конденсатор до напряжения индуктивного выброса в момент закрывания ключа, в-третьих, так как напряжение заряженного второго конденсатора прикладывается к первому диоду в прямом направлении, а цепь разряда второго конденсатора на первый конденсатор замыкается, заряжать первый конденсатор накопленной во втором конденсаторе энергией индуктивного выброса, что приводит к повышению эффективности ПН.
Полезная модель поясняется чертежом.
На фигуре представлена принципиальная электрическая схема ПН.
1
2
1
1
ПН включает трансформатор 1 с двумя обмотками W и W, ключ 2, реализованный на полевом транзисторе КП750А, схему управления 3, выход которой соединен с управляющим выводом ключа 2. Первый вывод первой обмотки W трансформатора 1 соединен с выводом напряжения положительной полярности источника постоянного напряжения (на рисунке не показан). Второй вывод первой обмотки W трансформатора 1 соединен с первым выводом ключа 2, второй вывод ключа 2 соединен с выводом напряжения отрицательной полярности источника постоянного напряжения.
2
2
2
2
В последовательной цепи второй обмотки W трансформатора 1 соединены вторая обмотка W трансформатора 1, первый диод 4, в качестве которого используется диод RHRD4120, первый конденсатор 5, в качестве которого используется конденсатор К75-40В-750В-10мкФ±10% - В и второй конденсатор 6, в качестве которого используется конденсатор К73-16-250В-0,47мкФ±10% - В. При этом первый вывод второй обмотки W трансформатора 1 соединен с первым выводом первого конденсатора 5, второй вывод второй обмотки W трансформатора 1 соединен с катодом первого диода 4, анод которого соединен с катодом второго диода 7.
Второй вывод первого конденсатора 5 соединен с вторым выводом второго конденсатора бис выводом напряжения отрицательной полярности источника постоянного напряжения.
1
Цепь защиты первичной обмотки W трансформатора 1 от индуктивных выбросов включает второй диод 7, в качестве которого используется диод RHRD4120, и второй конденсатор 6. При этом первый вывод ключа 2 соединен с анодом второго диода 7, катод которого соединен с первым выводом второго конденсатора 6.
1
2
2
2
2
Обмотки W и W трансформатора 1 соединены в схеме таким образом, что индуктивные импульсы напряжения на упомянутых обмотках имеют одинаковую полярность на "началах" обмоток (первый вывод первой обмотки W1 трансформатора 1 и второй вывод второй обмотки W трансформатора 1) и противоположную (полярности на "началах" обмоток трансформатора 1) полярность на "концах" обмоток трансформатора 1 (второй вывод первой обмотки W1 трансформатора 1 и первый вывод второй обмотки W трансформатора 1). Это означает, что когда на первом выводе первой обмотки трансформатора 1 появился импульс напряжения положительной полярности, то на втором выводе второй обмотки W трансформатора 1 возникает индуктивный импульс напряжения также положительной полярности.
Схема управления 3 собрана на микросхемах 564ТЛ1 и 1401СА1 и имеет выход, соединенный с управляющим выводом ключа 2. Схема управления 3 выполняет следующие функции:
- обеспечивает периодическую (с частотой в промежутке от 20 до 30 кГц) подачу импульсов открывания и закрывания ключа 2 до тех пор, пока напряжение на первом конденсаторе 5 меньше напряжения, заданного схемой управления 3;
- обеспечивает закрывание ключа 2, как только напряжение на первом конденсаторе 5 становится равным напряжению, заданному схемой управления 3.
Выполнение схемы управления 3 может быть различным и с использованием различных элементов.
ПН работает следующим образом.
1
Пока напряжение на первом конденсаторе 5 равно напряжению, заданному схемой управления 3, схема управления 3 удерживает ключ 2 закрытым. В это время второй конденсатор 6 заряжен до напряжения источника питания через первую обмотку W трансформатора 1 и второй диод 7, а первый диод 4 закрыт обратным напряжением на первом конденсаторе 5.
Как только напряжение на первом конденсаторе 5 становится меньше заданного схемой управления 3, схема управления 3 начинает подавать на управляющий вывод ключа 2 с определенной частотой периодические импульсы открывания и закрывания ключа 2.
1
В течение первой части периода работы ПН схема управления 3 удерживает открытым ключ 2. В первой обмотке W трансформатора 1 течет ток, линейно нарастающий со временем. В это время трансформатор 1 накапливает энергию.
2
2
Импульс напряжения на первом выводе первой обмотки W1 трансформатора 1 имеет положительную полярность. Вследствие ранее указанной схемы соединения обмоток трансформатора 1 импульс напряжения на втором выводе второй обмотки W трансформатора 1 тоже имеет положительную полярность, а на первом выводе второй обмотки W трансформатора 1 имеет отрицательную полярность и приложен в обратном направлении к первому диоду 4, и в это время этот диод находится в закрытом состоянии.
2
Ток во второй обмотке W трансформатора 1 в это время не течет, конденсатор 5 разряжается на нагрузку.
1
2
2
2
В течение второй части периода работы ПН схема управления 3 закрывает ключ 2. В этот момент полярность импульса напряжения на выводах обмоток W и W трансформатора 1, благодаря явлению самоиндукции, меняется на противоположную. На первом выводе второй обмотки W трансформатора 1 импульс напряжения имеет положительную полярность и приложен в прямом направлении к первому диоду 4. Первый диод 4 открывается, во второй обмотке W трансформатора 1 течет ток, и
накопленная в трансформаторе 1 энергия передается в конденсатор 5 и заряжает его.
1
2
В момент закрывания ключа 2 на втором выводе первой обмотки W трансформатора 1 возникает индуктивный положительный выброс напряжения, связанный как с индуктивностью обмотки, так и с паразитными параметрами. В тот момент когда текущее значение напряжения этого выброса напряжения становится больше, чем напряжение на конденсаторе 6, второй диод 7 открывается, и энергия индуктивного выброса напряжения передается в конденсатор 6, заряжая его. После окончания выброса напряжения накопленная в конденсаторе 6 указанная энергия через вторую обмотку W трансформатора 1 и через первый диод 4 (в прямом направлении) передается в конденсатор 5. При этом конденсатор 5 подзаряжается энергией индуктивного выброса.
Схема управления 3 обеспечивает в частотном режиме периодическую подачу импульсов открывания и закрывания ключа 2 до тех пор, пока напряжение на первом конденсаторе 5 меньше напряжения, заданного схемой управления 3. Схема управления 3 обеспечивает закрывание ключа 2, как только напряжение на первом конденсаторе 5 становится равным напряжению, заданному схемой управления 3.
1
Таким образом, энергия индуктивного выброса напряжения на первой обмотке W трансформатора 1 ПН переходит в конденсатор 5, а из него в нагрузку, и за счет этого повышается эффективность ПН.
Источники информации.
1 Шмелев К.Д., Королев Г.В. Источники электропитания лазеров. - М. Энергоиздат, 1981. - С.77, 79.
2 Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. - М. СОЛОН-ПРЕСС, 2006. - С.312-320 - прототип.