ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к технике электропитания средств связи, и может быть использована в корабельных комплексах связи.
Изменение входного питающего напряжения всегда вызывает изменение амплитуды выходного напряжения преобразователя, а во многих схемах и изменение его частоты.
В устройствах электропитания аппаратуры связи, как правило, требуется, чтобы выходное напряжение преобразователя поддерживалось с заданной точностью. Для этого применяют различные способы стабилизации выходного напряжения преобразователей. Одной из важных задач на подвижных объектах (кораблях, судах, ПЛ и т.д.) является уменьшение массы и габаритов устройств электропитания.
В аппаратуре, питающейся от сети постоянного тока, эта задача решается повышением частоты преобразования (до 10-100 кГц), применением интегральных микросхем и микросборок. С повышением частоты снижается масса силовых трансформаторов и дросселей фильтров, составляющих значительную часть блока питания.
В аппаратуре, питающейся от сети переменного тока частоты 50Гц или 400 Гц, эффективным способом уменьшения массы и габаритов источника питания является применение устройств с бестрансформаторным входом и последующим преобразованием в напряжение на достаточно высокой частоте. [Векслер Г.С. Электропитание спецаппаратуры. Киев. Высшая школа; 1975, 374 с.].
Известны различные устройства для питания аппаратуры связи на подвижных объектах. Так, например, известен генератор высоковатных импульсов, АС СССР №1567075 от 20.01.88 г., генератор содержит источник питания, накопитель энергии, а также управляющий коммутатор и нагрузку.
Известен преобразователь напряжения с бестрансформаторным входом. АС СССР №565362, Н 02 М 7/04 содержит последовательно соединенные мостовые выпрямители.
Известен статический преобразователь АС СССР №696583, Н 02 М 7/00.
В схеме этого преобразователя входное переменное напряжение питающей сети 220 В, 50 Гц выпрямляется мостовым выпрямителем и после сглаживания пульсации конденсатором поступает на преобразователь, выполненный на транзисторах и трансформаторе. Преобразователь работает на достаточно высокой частоте ≈ 25 кГц. Выходное низкое напряжение со вторичной обмотки трансформатора выпрямляется диодами, фильтруется, и поступает в нагрузку.
КЭ
n
Элементы, входящие в схему преобразователя должны выбираться исходя из высокого выпрямленного напряжения питания. Например, при входном переменном напряжении 220 В ± 10% постоянное напряжение после выпрямителя с емкостным фильтром может достигать значения 350 В, тогда для транзисторов преобразователя в соответствии с формулой U≈(2,2÷2,4)U,
КЭ
U=2,4•350=840 B. Если преобразователь выполнен по мостовой схеме, то транзисторы в нем должны выдерживать напряжение не менее 400÷500 В.
Недостатками как аналогов, так и прототипа является низкая надежность работы устройства, так как высокое напряжение питания усложняет конструкцию трансформатора преобразователя. Габариты и масса его увеличивается за счет усиления межслойной и межобмоточной изоляции, необходимой для обеспечения электрической прочности трансформатора.
Целью полезной модели является повышение надежности работы устройства, за счет улучшения режимов работы элементов схемы.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, состоящее из мостового выпрямителя на диодах, сглаживающего фильтра, схемы управления и преобразователя, выполненного на транзисторах, дополнительно между диодами мостового выпрямителя последовательно включен ключевой стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией, а диоды мостового выпрямителя включены параллельно, при этом входы ключевого стабилизатора соединены с преобразователем напряжения, который в свою очередь трансформаторно соединен с выходным выпрямителем, причем преобразователь напряжения с помощью цепи обратной связи соединен с ключевым стабилизатором с широтно-импульсной модуляцией.
Структурная схема устройства изображена на Фиг. В соответствии с ней устройство состоит из следующих функциональных узлов:
1
6
1 - бестрансформаторный выпрямитель на диодах Д-Д;
2 - ключевой стабилизатор с ШИМ и регулировочным транзистором;
3 - преобразователь напряжения;
4 - цепь обратной связи;
7
8
5 - выходной выпрямитель на диодах Д, Д, с емкостным фильтром.
1
6
H
Ф
Работа схемы осуществляется следующим образом. Переменное напряжение сети 220 В после бестрансформаторного выпрямителя диодами Д-Д поступает на вход ключевого стабилизатора с последовательным включением регулирующего транзистора. При входном переменном напряжении 220 В после такого ключевого стабилизатора постоянное напряжение примерно равно 200 В, которое поступает на преобразователь. Преобразователь работает на высокой частоте (≈ 25 кГц). От преобразователя частоты ƒ синхронизируется ключевой стабилизатор с ШИМ, который работает на удвоенной частоте и следит за выходным напряжением U с помощью цепи обратной связи. За счет увеличения частоты пульсации выпрямленного напряжения можно уменьшить емкость фильтра С.
1
6
Диоды Д-Д входного выпрямителя подключены непосредственно к сети переменного тока и работают на емкостной фильтр. Импульс тока через диод определяется амплитудой входного переменного напряжения и сопротивлением фазы выпрямителя, которое складывается из сопротивления обмотки трансформатора и сопротивления диода. Поскольку входной трансформатор отсутствует, то импульс тока через диод определяется весьма малым сопротивлением полупроводникового диода и в десятки раз превышает средний выпрямленный ток нагрузки.
Ф
Конденсатор входного фильтра С выбран из условий работы при высоком постоянном напряжении 350 В с большой величиной переменной составляющей, частота пульсации определяется частотой переключении регулирующего трансформатора и, кроме того, через конденсатор протекает ток нагрузки стабилизатора. Поскольку стабилизатор работает на достаточно высоких частотах, то конденсатор фильтра имеет весьма незначительное внутреннее последовательное эквивалентное сопротивление, которое определяет мощность потерь и температуру корпуса.
Силовые транзисторы для преобразователя и ключевого стабилизатора выполнены высоковольтными - с допустимым напряжением коллектор - эмиттер 500-1000 В, и обеспечивают коммутацию токов 3-5 А и допускают не менее десятикратной импульсной перегрузки по току коллектора.
Время включения и выключения транзисторов не более 0,5-1 мкс, что позволяет работать на частотах до 100 кГц.
7
8
7
8
Диоды выходного выпрямителя Д, Д работают при низком обратном напряжении - не более 50 В, но с них снимают большие токи - вплоть до 100 А. Для обеспечения достаточно высокого КПД прямое падение напряжения диодов не превышает 0,3-0,5 В, а время восстановления обратного сопротивления не превышает 0,1-0,5 мкс, чтобы выпрямлять переменное напряжение высокой частоты статического преобразователя. Поэтому диоды Д, Д получены на основе барьера Шоттки.
Широкое развитие микроэлектронной техники приводит к уменьшению массы и объема функциональной части, устройств связи, а повышение требований к качеству их электропитания - к возрастанию массы и объема источников электропитания, относительный объем которых составляет 25-30% от общего объема аппаратуры. Предлагаемая схема преобразователя напряжения значительно уменьшает массу и габариты устройств электропитания и повышают надежность их работы.