ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области преобразования и распределения электроэнергии, в частности к преобразователям постоянного низкого напряжения в постоянное высокое напряжение и может быть использовано в дозиметрической аппаратуре.
Известен преобразователь напряжения, используемый в приборе ДП-5, который содержит блокинг-генератор, диодный выпрямитель, стабилитрон и выходную емкость [1]. Высоковольтные импульсы блокинг-генератора через диодный выпрямитель заряжают выходную емкость до рабочего напряжения стабилитрона. Напряжение выходной емкости служит для питания нагрузки.
Однако даже при отсутствии нагрузки преобразователь работает на полную мощность и потребляет большой ток от батареи (около 20 мА),
Известен также преобразователь напряжения в дозиметре ДКС-04, который содержит блокинг-генератор, умножитель напряжения и схему управления [2]. Преобразователь может работать в двух режимах мощности. При отсутствии излучения, т.е. без нагрузки, данный преобразователь работает на пониженной частоте, а при воздействии излучения - на повышенной.
К недостаткам этого устройства-аналога относится следующее. Ток, потребляемый преобразователем без нагрузки, составляет около 1 мА, что существенно снижает его КПД.
При наличии нагрузки, вызываемой воздействием излучения, КПД преобразователя также низкий, так как после каждого срабатывания газоразрядного счетчика преобразователь работает на полную мощность в течение 60 мс и за это время потребляет энергии от батареи гораздо больше, чем расходуется газоразрядным счетчиком при одном срабатывании.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является преобразователь напряжения, используемый в приборе НМД-1, который содержит блокинг-генератор, умножитель напряжения, стабилитрон, усилитель тока и управляющий транзистор [3].
Принципиальная электрическая схема устройства прототипа показана на фиг.1.
Недостатком устройства-прототипа является то, что мощность, рассеиваемая на постоянно открытом стабилитроне 4 и коллекторном резисторе усилителя тока 6, что уменьшает КПД преобразователя, особенно при малых полезных токах нагрузки. Дозиметрические приборы, в которых используется данный преобразователь, часто работают при фоновом радиоактивном излучении и в этих случаях вся потребляемая преобразователем энергия рассеивается бесполезно.
Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в увеличении КПД преобразователя напряжения.
Указанный технический результат достигается тем, что в преобразователе напряжения, включающем в себя блокинг-генератор на силовом транзисторе и трансформаторе с первичной, управляющей и выходной обмотками, а также транзисторный ключ, усилитель тока, коллекторный резистор, стабилитрон, ограничительный резистор и конденсатор и первичная обмотка трансформатора соединена одним выводом с шиной питания, а другим через коллектор-эмиттерный переход силового транзистора с общей шиной, база силового транзистора последовательно через управляющую обмотку и коллектор-эмиттерный переход транзисторного ключа соединен с шиной питания, выходная обмотка через выпрямитель соединена с выходной клеммой и конденсатором, стабилитрон последовательно с ограничительным резистором включены между выходной клеммой и базой усилителя тока, эмиттер которого в свою очередь соединен с общей шиной, предусмотрены следующие конструктивные отличия.
В базовую цепь силового транзистора последовательно с управляющей обмоткой и коллектор-эмиттерным переходом транзисторного ключа введен дополнительный резистор, тип проводимости транзисторного ключа изменен и противоположен проводимости силового транзистора, эмиттер транзисторного ключа соединен с шиной питания, коллекторный резистор включен между базой транзисторного ключа и коллектором усилителя тока, между базой усилителя тока и коллектором транзисторного ключа введен резистор положительной обратной связи, между базой усилителя тока и шиной питания введен резистор положительного смещения, между базой усилителя тока и общей шиной включен защитный диод.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.2 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя напряжения.
Преобразователь напряжения состоит из блокинг-генератора, собранного на силовом транзисторе 1 и трансформаторе 2, транзисторного ключа 3 с коллекторным резистором 4, усилителя тока на транзисторе 5 с коллекторным резистором 6, резистора положительной обратной связи 7 и резистора прямого смещения 8, диода 9, выходной емкости 10, стабилитрона 11 с ограничительным резистором 12 и защитного диода 13.
Преобразователь напряжения работает следующим образом. При включении питания все транзисторы схемы находятся в режиме отсечки. На базу транзистора 5 подается малый открывающий ток через большое сопротивление прямого смещения 8 (порядка 100 МОм). Усиленный коллекторный ток этого транзистора через резистор 6 поступает на базу транзисторного ключа 3 и частично его приоткрывает. Величина коллекторного тока транзистора 3 вначале недостаточна для возбуждения блокинг-генератора, однако создает некоторое падение напряжения на резисторе 4, которое через сопротивление положительной обратной связи 7 увеличивает прямое смещение на базе транзистора 5, в результате чего базовый, а следовательно, и коллекторный токи последнего увеличиваются. Это приводит к дальнейшему открыванию транзистора 3 и далее процесс происходит лавинообразно до полного открывания транзисторов 5 и 3.
Блокинг-генератор возбуждается, и высоковольтные импульсы с выходной обмотки через диод 9 заряжают выходную емкость 10. При достижении отрицательного напряжения на ней уровня открывания стабилитрона 11, через последний начинает протекать ток, который создает отрицательное смещение на базе транзистора 5, в результате чего транзисторы 5 и 3 лавинообразно переходят в закрытое состояние и блокинг-генератор выключается. Резистор 12 ограничивает максимальный ток стабилитрона. После перехода транзисторов 3 и 5 в закрытое состояние напряжение на базе транзистора 5 скачком уменьшается на величину порядка 1 В и становится отрицательным. Диод 13 предохраняет базу транзистора 5 от дальнейшего роста отрицательного напряжения на ней. Ток стабилитрона при этом уменьшается также сначала скачком, а затем плавно, по мере разряда емкости 10. В некоторый момент времени ток стабилитрона становится недостаточным для поддержания отрицательного смещения на базе транзистора 5. Благодаря резистору 8 смещение постепенно становится прямым, и блокинг-генератор включается по механизму, описанному выше. Первый же высоковольтный импульс трансформатора подзаряжает емкость 10 до напряжения, достаточного для открывания стабилитрона, что приводит к отключению блокинг-генератора.
В результате такой работы схемы напряжение на выходе пульсирует около уровня открывания стабилитрона. При увеличении тока нагрузки емкость 10 разряжается от максимального до напряжения включения блокинг-генератора быстрее и частота срабатывания последнего соответственно увеличивается.
Предложенный преобразователь напряжения по сравнению с прототипом потребляет меньший ток. Это объясняется следующим.
В устройстве-прототипе стабилитрон находится с постоянно открытом состоянии и ток, протекающий через него должен быть достаточен для поддержания прямого смещения на базе усилителя тока, что составляет единицы микроампер. Так как этот ток вызван большим выходным напряжением, то результирующая мощность, рассеиваемая стабилитроном, приводит к потребляемому току батареи в сотни микроампер, кроме того, ток стабилитрона усиливается транзистором, коллекторный ток которого непосредственно потребляется из батареи и составляет около 50…100 мкА. В результате этого при использовании устройства-прототипа в переносной дозиметрической аппаратуре он потребляет существенный ток даже в отсутствие радиоактивного излучения и значительно сокращает ресурс работы приборов с одним комплектом батарей.
В предлагаемом преобразователе напряжения ток открытого стабилитрона протекает кратковременно, так как после его возникновения схема срезу же выключается и сам стабилитрон переходит в практически закрытое состояние. Его ток во время паузы определяется сопротивлением резистора прямого смещения, которое может быть выбрано достаточно большим. Например, при сопротивлении этого резистора 100 МОм ток стабилитрона после отключения блокинг-генератора изменяется примерно от 80 до 40 нА. Кроме того, во время паузы все остальные элементы схемы обесточены.
В результате проведенных испытаний установлено, что потребляемый предлагаемым преобразователем ток в отсутствие нагрузки составляет около 10 мкА и его использование для питания газоразрядных счетчиков Гейгера-Мюллера дает возможность обеспечить режим непрерывной работы дозиметра в течение нескольких месяцев от одного комплекта химических источников тока.
Список использованных источников
1. Измеритель мощности дозы ДП-5В. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ЕЯ.807.028 ТО - 1978 г.
2. Дозиметр ДКС-04. Паспорт.ЖШ2.805.395 ПС - 1988 г.
3. Измеритель мощности дозы ИМД-1. Техническое описание и инструкции по эксплуатации. ЖШ1.289.199 ТО - 1982 г.