ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
SECONDARY SOURCE OF SUPPLY

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии.
Известен вторичный источник питания (см. патент РФ 2342691 от 26.11.2007, опубликован в БИ "Изобретения" №36 за 2008 год), содержащий коммутирующий элемент, вход управления которого соединен с выходом устройства управления коммутирующего элемента, входы которого соединены с выводами первой вторичной обмотки трансформатора, первый вывод первичной обмотки которого соединен с первым выводом первичного источника питания, а второй вывод первичной обмотки соединен с первым выводом коммутирующего элемента, при этом нагрузка подключена ко второй вторичной обмотке трансформатора.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является уменьшение надежности работы вторичного источника питания при увеличении значения напряжения первичного источника.
Решаемой задачей является создание вторичного источника питания с повышенной надежностью.
Достигаемым техническим результатом является повышение надежности работы вторичного источника питания за счет уменьшения напряжения на коммутирующих элементах.
Для достижения технического результата во вторичном источнике питания, содержащем первый коммутирующий элемент, вход управления которого соединен с выходом устройства управления коммутирующего элемента, входы которого соединены с выводами первой вторичной обмотки трансформатора, первый вывод первой первичной обмотки которого соединен с первым выводом первичного источника питания, а второй вывод первой первичной обмотки соединен с первым выводом первого коммутирующего элемента, при этом нагрузка подключена ко второй вторичной обмотке трансформатора, новым является то, что дополнительно введены коммутирующие элементы, первичные обмотки, идентичные первой первичной обмотке трансформатора, и последовательно соединенные конденсаторы, при этом первые выводы всех первичных обмоток трансформатора соединены с первыми выводами соответствующих конденсаторов, вторые выводы которых соединены со вторыми выводами соответствующих коммутирующих элементов, первые выводы дополнительно введенных коммутирующих элементов соединены со вторыми выводами дополнительно введенных первичных обмоток, второй вывод первичного источника питания соединен со вторым выводом последнего коммутирующего элемента.
На фиг.1 представлена блок-схема заявляемого вторичного источника питания.
На фиг.2 приведена электрическая принципиальная схема одного из возможных вариантов, согласно предлагаемому изобретению.
Вторичный источник питания содержит устройство управления коммутирующими элементами 4, выходы которого подключены к входам управления коммутирующих элементов 1, 2 и 3. Входы устройства управления коммутирующими элементами 4 подключены к первой вторичной обмотке 8 трансформатора 7. Вторая вторичная обмотка 9 трансформатора 7 своими выводами через диод 55 подключена к нагрузке 6 - параллельно соединенные резистор и конденсатор. Параллельно выводам первичного источника питания 5 включены последовательно соединенные конденсаторы 13, 14 и 15. Выходы 21, 19 и 17 коммутирующих элементов 1, 2 и 3 соединены со вторыми выводами конденсаторов 15, 14 и 13, первые выводы которых соединены с первыми выводами первичных обмоток 12, 11 и 10 трансформатора 7, вторые выводы первичных обмоток 12, 11 и 10 трансформатора 7 соединены с выходами 20, 18 и 16 коммутирующих элементов 1, 2 и 3. Питание устройства управления 4 осуществляется от первичного источника питания или от напряжения, снимаемого с одного из конденсаторов 13, 14, 15.
Устройство управления коммутирующими элементами 4 включает в себя генератор прямоугольных импульсов, выполненный на элементах «2И-НЕ» (25), «НЕ» (26), резисторах 22, 23 и конденсаторе 24, которые являются времязадающими элементами (задают длительности «высокого» и «низкого» уровня сигнала на выходе генератора), соответствующими фазам низкого и высокого значения сопротивлений коммутирующих элементов, инверторы 27 и 28, выполняющие функцию буферного элемента; датчик тока 41, подключенный параллельно ключевому элементу 3, выход датчика тока 41 через параллельно соединенные резистор 43 и конденсатор 44 подключен к входу источника опорного напряжения, выполненного в виде инвертора 49, двух диодов 47 и 48, соединяющих его выход и вход, и демпфирующих конденсаторов 45 и 46; выход источника опорного напряжения через резистор 50 соединен со входом устройства сравнения, выполненного в виде двух последовательно соединенных инверторов 29 и 30, выход которого соединен со входом управления генератора; вторичная обмотка 8 трансформатора 7 через последовательно соединенные диод 54 и стабилитрон 52 нагружена на конденсатор 53 и последовательно соединенные резисторы 50 и 51; выход элемента «2И-НЕ» (25) генератора соединен с двумя буферными элементами, выполненными в виде инверторов 33, 34, 35 и 38, 39, 40, резисторов обратной связи 32 и 37, разделительных конденсаторов 31 и 36, выходы буферных элементов соединены со входами управления коммутирующих элементов 1 и 2. Управление генератором согласно фиг.2 осуществляется перепадом напряжения на его входе управления с высокого уровня на низкий. В случае использования генератора, у которого управление происходит перепадом входного напряжения с низкого уровня на высокий, необходимо использовать нечетное число n последовательно включенных инверторов в устройстве сравнения. Напряжение питания на генератор, устройство сравнения и источник опорного напряжения подается с выводов конденсатора 13. Напряжение питания на первый (инверторы 33, 34, 35) и второй (инверторы 38, 39, 40) буферные элементы подается с конденсаторов 14 и 15 соответственно.
Коммутирующие элементы 1, 2 и 3 выполнены в виде МОП-транзисторов с максимальным током до 300 мА при падении напряжения на открытом ключе не более 0,2 В. Датчик тока 41 выполнен в виде МОП-транзистора 41 с максимальным током до 2,5 мА при падении напряжения на открытом ключе не более 0,2 В и включенного в цепь истока резистора 42. Все инверторы, используемые в источнике опорного напряжения и в устройстве сравнения (49, 29, 30 см. фиг.2), выполнены в виде последовательно соединенных «p» и «n» канальных идентичных КМОП-транзисторов с объединенными попарно затворами и стоками и вследствие этого имеют одинаковые значения напряжения переключения.
П
max
Вторичный источник питания работает следующим образом. В исходном положении, при отключенном первичном источнике питания 5, конденсаторы 13, 14, 15 разряжены, в последовательных электрических цепях: первичные обмотки 10, 11, 12 трансформатора 7 и коммутирующих элементов 1, 2, 3 электрический ток равен нулю; конденсаторы 24, 53 разряжены; генератор не работает (на его выходе отсутствуют электрические сигналы). При подключении первичного источника питания 5 его напряжение прикладывается к последовательно соединенным конденсаторам 13, 14, 15, конденсаторы начинают заряжаться до напряжения, равного 1/3 напряжения первичного источника (при условии равенства значений емкости конденсаторов 13, 14, 15); напряжение с выводов конденсатора 13 прикладывается к выводам питания элементов «2И-НЕ» и «НЕ», через первичную обмотку 10 трансформатора 7 к стокам транзисторов ключевого элемента 3 и датчика тока 41; напряжение с выводов конденсатора 14 прикладывается к выводам питания элементов 33, 34, 35, через первичную обмотку 11 трансформатора 7 к стоку транзистора ключевого элемента 2; напряжение с выводов конденсатора 15 прикладывается к выводам питания элементов 38, 39, 40, через первичную обмотку 12 трансформатора 7 к стоку транзистора ключевого элемента 1; исток транзистора ключевого элемента 3 соединен с «минусовым» выводом источника питания напрямую, а исток транзистора датчика тока 41 - через резистор 42. После достижения напряжения на конденсаторах 13, 14, 15 значений, обеспечивающих работоспособность элементов 25, 26, 27, 28, 33, 34, 35, 38, 39 и 40, начинает работать генератор и буферные элементы, выдавая на входы коммутирующих элементов 1, 2, 3 и датчика тока 41 последовательность импульсов, приводящих к периодическому чередованию двух их состояний: открытого и закрытого. Таким образом, сигнал на выходе генератора имеет две фазы, определяющие два состояния коммутирующих элементов и датчика тока. В фазе открытого состояния коммутирующих элементов 1, 2, 3 и датчика тока 41, длительностью Т первичные обмотки 10, 11, 12 трансформатора 7 образуют последовательную согласно соединенную цепочку первичных обмоток, подключаемых крайними выводами к первичному источнику питания 5, а каждая из первичных обмоток подключается к соответствующему конденсатору 13, 14, 15. Вследствие идентичности первичных обмоток трансформатора 7 на них устанавливается напряжение со значением равным, в n раз меньшим значения напряжения первичного источника 5 (для варианта фиг.1, фиг.2 n=3). Это приводит к появлению тока в последовательной цепи: первичный источник питания 5 (первый вывод), первичная обмотка 12, коммутирующий элемент 1, первичная обмотка 11, коммутирующий элемент 2, первичная обмотка 10, коммутирующий элемент 3 и подключенный параллельно ему датчик тока 41, первичный источник питания 5 (второй вывод). Поскольку значение тока, протекающего через транзистор 41 датчика тока, во много раз меньше значения тока, протекающего через коммутирующий элемент 3, то его величиной можно пренебречь при расчете процесса накопления энергии в трансформаторе. Ток в первичных обмотках трансформатора 7 с момента перехода коммутирующих элементов 1, 2, 3 в открытое состояние нарастает практически по линейному закону, достигая к концу фазы открытого состояния максимального значения I определяемого выражением:
1
где U - значение напряжения первичного источника питания;
1
1i
2
L=L·n - результирующая индуктивность первичных обмоток трансформатора 7;
1i
L - значение индуктивности одной из n идентичных первичных обмоток трансформатора 7;
П
Т - длительность фазы открытого состояния коммутирующего элемента («прямой ход»).
1
П
Выражение (1) справедливо при достаточно малых значениях активных сопротивлений первичных обмоток трансформатора и коммутирующих элементов по сравнению со значением величин, определяемых отношением индуктивности L к длительности Т фазы открытого состояния коммутирующего элемента. Энергия, накопленная в индуктивностях первичных обмоток трансформатора, пропорциональна квадрату значения тока и определяется известным выражением:
о
После импульсного перевода коммутирующих элементов в закрытое состояние в течение Т (обратный ход) прерывается цепь прохождения тока в первичных обмотках трансформатора 7, накопленная в них энергия передается через вторичную обмотку 9 и диод 55 в нагрузку 6 и частично через обмотку обратной связи 8 в элементы: диод 54, стабилитрон 52, резисторы 50, 51 и конденсатор 53. В отсутствие сигналов управления на входе генератора энергия, накапливаемая в первичных обмотках трансформатора, должна быть больше номинальной. Процесс накопления и передачи энергии в нагрузку описан в литературе по импульсным источникам питания, например [1] Б.Ю.Семенов. Силовая электроника СОЛОН - Р. Москва, 2001 г., стр.216-227. Связь между параметрами нагрузки и вторичного источника питания определяется выражением:
Н
где U - напряжение на нагрузке;
Н
R - значение сопротивления нагрузки;
- коэффициент заполнения;
1
U - значение напряжения первичного источника питания;
f - частота преобразования;
П
Т - длительность фазы «прямого хода»;
О
Т - длительность фазы «обратного хода»;
k - коэффициент трансформации (отношение числа витков вторичной обмотки 9 трансформатора к сумме числа витков его первичных обмоток 10, 11, 12).
П
П
О
Процесс передачи накопленной энергии индуктивностями первичных обмоток 10, 11, 12 трансформатора в фазе Т в нагрузку 6 проходит с участием заряда конденсатора нагрузки 6 в фазе То и его разряда в течение всего периода Т=Т+Т следования сигналов на входах коммутирующих элементов 1, 2, 3. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:
1max
где I - значение тока в первичных обмотках к моменту окончания фазы проводящего состояния коммутирующих элементов 1, 2, 3;
С - значение емкости конденсатора фильтра нагрузки 6;
i-1
i
U, U - значение напряжения на конденсаторе нагрузки в моменты времени, соответствующие (i-1) T и iT;
зар
разр
Δq, Δq - изменения заряда конденсатора нагрузки 6, обусловленные передачей энергии от первичной обмотки и током разряда на сопротивлении нагрузки 6 соответственно;
- среднее значение напряжения на нагрузке 6.
В переходном режиме работы вторичного источника питания происходит постепенный рост напряжения на конденсаторе нагрузки 6 за счет порций энергии, передаваемых с каждым периодом выходных сигналов генератора из первичных обмоток 10, 11, 12 трансформатора. Из анализа выражений (4), (5), (6) следует:
зар
- при постоянстве энергии W, накапливаемой в первичных обмотках, приращение заряда Δq и, соответственно, напряжения конденсатора нагрузки уменьшается по мере роста среднего значения напряжения на нем;
разр
- разряд конденсатора нагрузки Δq за счет тока, отдаваемого в сопротивление нагрузки за период Т, растет по мере роста среднего напряжения на конденсаторе нагрузки.
зар
разр
В переходном режиме Δq>Δq.
Установившийся режим характеризуется прекращением роста среднего значения на конденсаторе нагрузки 6. При этом наступает равенство изменений зарядов:
зар
разр
Δq=Δq или
i
i-1
При замене в выражении (4) сомножителя C(U-U) на правую часть равенства (7) получим:
ср
Равенство (8) также вытекает из принципа сохранения энергии. В установившемся режиме значение среднего напряжения на нагрузке U может быть определено из формулы (8) с учетом формулы (1):
1
П
Н
1
П
П
О
О
П
О
П
Из выражения (9) видно, что среднее напряжение на нагрузке определяется значениями: напряжения первичного источника питания U, длительности фазы открытого состояния коммутирующего элемента Т, сопротивления нагрузки R, результирующей индуктивности первичных обмоток трансформатора L и периода следования сигналов Т на управляющем входе коммутирующего элемента. При постоянстве значений Т и Т (отсутствуют сигналы управления на входе генератора) напряжение на нагрузке будет изменяться при изменении напряжения первичного источника питания и сопротивления нагрузки. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется изменением длительности T - широтно-импульсная модуляция (ШИМ) посредством подачи на управляющий вход генератора импульсных сигналов с выхода устройства сравнения. По спаду импульсных сигналов на входе генератора прерывается формирование фазы сигнала, определяющего открытое состояние коммутирующего элемента, устанавливается уровень сигнала, соответствующий закрытому состоянию коммутирующего элемента (фаза Т). Длительность фазы Т определяется времязадающими элементами генератора с учетом Т. После окончания фазы Т начинается новый цикл формирования сигнала фазы Т, накопления энергии в индуктивностях первичных обмоток трансформатора и передачи ее в нагрузку. Импульсный сигнал на выходе устройства сравнения формируется в момент, когда на его входе (входе инвертора 30) переменное напряжение достигает значения порога переключения p-канального транзистора комплементарной пары (инвертора 30).
вх30
При значении сопротивления подстроенного резистора 51, равном нулю, напряжение на входе инвертора 30 U определяется суммой напряжений:
где
8
О
U - амплитуда напряжения на вторичной обмотке 8 трансформатора, в фазе обратного хода Т;
д
U - прямое падение напряжения на диоде 54;
ст
U - напряжение стабилизации стабилитрона 52;
вых49
U - напряжение на выходе инвертора 49 (источника опорного напряжения);
8
9
n, n - число витков вторичных обмоток 8 и 9 трансформатора соответственно;
9
О
U - амплитуда напряжения на вторичной обмотке 9 трансформатора, в фазе обратного хода Т.
пор49
D
Напряжение на входе инвертора 49, подключенного через резисторы 43 и 42 к «минусу» источника питания, за счет обратной связи с выходом инвертора 49 через диоды 47, 48 устанавливается близким к значению порога переключения инвертора 49 (U)» а напряжение на его выходе будет больше на величину n·U (n - число диодов, последовательно включенных в цепи обратной связи «вход-выход» инвертора 49). В устройстве согласно фиг.2 использованы два диода - 47, 48 и в этом случае:
1
где К - коэффициент передачи входного напряжения инвертора 49;
2
К - коэффициент, определяемый отношением тока, протекающего через транзистор ключевого элемента 3, к току, протекающему через транзистор 41 датчика тока (задается конструктивными параметрами транзистора 41);
дт
U - напряжение на выходе датчика тока;
42
R - значение сопротивления резистора 42;
1
i(t) - временная зависимость тока в первичных обмотках трансформатора.
1
8
В начальный момент времени: (t=0), i=0, U=0, значение напряжения на входе устройства сравнения (вход инвертора 30) будет равно:
вх30
cc
При значении U, соответствующем выражению (15), напряжение на выходе инвертора 30 будет близко к 0 (уровень «0»), а на выходе инвертора 29 равно U (уровень «1»), при этом устройство сравнения не влияет на длительность фазы прямого хода. Переключение инвертора 30 из состояния «0» в состояние «1» и соответственно исчезновение сигнала на выходе устройства сравнения (выход инвертора 29) произойдет при:
где
сс
U - напряжение питания инверторов;
29
30
29(30)
К, К - коэффициенты усиления инверторов 29, 30 в линейном режиме соответственно (К=12-20).
2
Напряжение сигнала с выхода датчика тока 41 (резистор 42), поступающее на вход источника опорного напряжения через резистор 43 и конденсатор 44, на выход источника опорного напряжения передается с инверсией полярности и коэффициентом пропорциональности К.
С учетом соотношений (10), (11), (12), (13), (14), (15), (16), а также примерного равенства значений напряжения переключения инверторов в одном кристалле микросхемы условием формирования выходного сигнала устройства сравнения будет:
~
D
или с учетом того, что ΔU<<2U
В зависимости от выбранных параметров вторичного источника питания:
- диапазона значений выходных напряжений первичного источника питания 5;
1
- результирующей индуктивности первичных обмоток 10, 11, 12 трансформатора (L);
О
- периода повторения сигналов на входе коммутирующих элементов 1, 2, 3 и длительности фазы Т;
- коэффициента отношения тока, протекающего через транзистор ключевого элемента 3, к току, протекающему через транзистор 41 датчика тока, и значения сопротивления 42;
8
9
- отношения числа витков вторичных обмоток 8 и 9 трансформатора (n, n);
- значения порогового напряжения устройства сравнения, возможна реализация трех характерных режимов работы.
П
При  и  Т - длительность фазы открытого состояния коммутирующих элементов 1, 2, 3 при отсутствии сигнала управления на входе генератора) на выходе устройства сравнения отсутствуют сигналы управления; установившееся напряжение на нагрузке определяется выражением (3).
П
При  и  управляющий сигнал на выходе устройства сравнения и соответственно на входе генератора появляется через время Т от момента начала перехода коммутирующих элементов 1, 2, 3 в открытое состояние.
1
П
В этом режиме при всех значениях напряжения первичного источника питания U амплитуда тока в первичных обмотках 10, 11, 12 трансформатора ограничивается на уровне  что обеспечивает постоянство передаваемой энергии в нагрузку и ограничивает ток коммутирующего элемента на безопасном уровне (определяется формулой (1)). Однако для этого случая стабильность напряжения на нагрузке будет невысокая, так-как при постоянстве передаваемых порций энергии в нагрузку период их следования может изменяться в зависимости от значений Т. Более высокая степень стабилизации вторичного напряжения (на нагрузке) достигается для режима, при котором:
для всего рабочего диапазона значений напряжений первичного источника питания.
Формирование выходного сигнала устройства сравнения происходит в тот момент, когда выполняется равенство:
9
Отсюда значение напряжения U на нагрузке 6 равно:
ст
D
Для случаев, когда U>>2U с учетом того, что
выражение (22) можно в первом приближении представить в виде:
8
9
ст
D
9
Обеспечение требуемого значения выходного напряжения вторичного источника питания достигается выбором стабилитрона 52 и отношением числа витков вторичной обмотки обратной связи n к числу витков выходной обмотки n трансформатора, удовлетворяющих условию (23). Из выражения (22) видно, что выходное напряжение вторичного источника питания зависит от стабильности напряжения стабилизации стабилитрона U, напряжения на диодах 47, 48 - 2U при протекании тока, задаваемого резистором 43, в нормальных условиях и при изменении температуры окружающей среды. Уменьшение температурной зависимости выходного напряжения U может достигаться использованием в качестве резистора 50 терморезистора.
51
В случаях, когда значение резистора 51 не равно нулю (R>0), выражение (22) принимает вид:
42
В устройстве согласно фиг.2 все элементы «НЕ», «2И-НЕ», МОП-транзисторы ключевого элемента и датчика тока и резистор R выполнены в виде единой интегральной схемы. Трансформатор 7 выполнен на МО-пермаллоевом сердечнике МП-140 К7×4×3; стабилитрон 52 - типа 2С156А; диоды 47, 48, 54, 55 - 2Д522Б. Конденсаторы 44, 45, 46 повышают помехоустойчивость ШИМ регулятора.
Заявляемое устройство может быть использовано в качестве «обратноходового» или «прямоходового» вторичного источника питания. Во втором случае энергия первичного источника питания передается в нагрузку в фазе низкого сопротивления коммутирующих элементов, для чего необходимо изменить полярность включения разделительного диода на выходе вторичных обмоток трансформатора и включить в цепь между диодом 55 и нагрузкой дроссель, а после диода 54 включить фильтр, выделяющий среднее значение напряжения, передаваемого в фазе «прямого хода» через диод 54.
ст
-4
По схеме, согласно фиг.2, изготовлены и испытаны экспериментальные образцы вторичного источника питания с выходным напряжением 5-6 В (разброс определяется разбросом U), диапазон изменения напряжения первичного источника питания 20-30 В, при этом нестабильность напряжения на нагрузке не более 1%. Температурная нестабильность выходного напряжения не более 8·10 1/°С без использования терморезистора. Использование терморезистора в качестве резистора 50 позволяет существенно уменьшить температурные изменения выходного напряжения. Изготовленные образцы вторичного источника питания работают при увеличенном в 3 раза по сравнению с прототипом значении напряжения первичного источника.