ОДНОТАКТНЫЙ ОБРАТНОХОДОВОЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к преобразовательной технике и может быть использовано при создании малогабаритных, экономичных и высокостабильных источников электропитания для конденсаторно-транзисторных и конденсаторно-тиристорных модулей зажигания.
Известен конвертер постоянного напряжения [Патент РФ на изобретение №2476979. МПК H02M 3/335. Опубл. в Бюл. №6, 27.02.2013], содержащий коммутирующий блок с нагрузочным трансформатором и ограничитель выброса напряжения, включенный между положительной шиной первичного источника питания и выходом коммутирующего блока, обмотку, размещенная между слоями или витками первичной обмотки трансформатора, включенная согласно и последовательно с ней со стороны, противоположной соединению первичной обмотки с коммутирующим блоком, а также диод и конденсатор, причем анод диода соединен с первым выводом конденсатора и подключен к шине первичного источника питания, его катод подключен к свободному выводу дополнительной обмотки, а второй вывод конденсатора подключен к точке соединения первичной обмотки трансформатора с дополнительной обмоткой.
Недостатком данного устройства является отсутствие стабилизации выходного напряжения, а также невысокий КПД и надежность конвертера.
Известен стабилизированный однотактный обратноходовый преобразователь постоянного напряжения [Патент РФ на изобретение №92210851, H02M 3/335, Опубл. 20.08.2003], содержащий входной конденсатор, выполняющий функцию входного фильтра, силовой трансформатор, силовой электронный ключ, схему управления силовым электронным ключом и выходной однотактный фильтр-выпрямитель. Входной конденсатор подключен параллельно входным выводам преобразователя. Первичная обмотка силового трансформатора своим началом подключена к плюсовому выводу входного конденсатора, а своим концом - через силовой электронный ключ - к минусовому выводу входного конденсатора. Выходной однотактный фильтр-выпрямитель содержит последовательно соединенные диод и конденсатор. Вторичная обмотка силового трансформатора своим началом подключена к минусовому выводу этого конденсатора и к выходному минусовому выводу преобразователя, а своим концом - к плюсовому выводу диода, минусовой вывод которого соединен с плюсовым выводом конденсатора и с плюсовым выходным выводом преобразователя.
Недостатком данного стабилизированного однотактного обратно-ходового преобразователя постоянного напряжения является то, что напряжение обратной связи не позволяет отслеживать изменения выходного напряжения, обусловленные изменениями тока нагрузки и падением напряжения на омическом сопротивлении вторичной обмотки силового трансформатора и выходного фильтра-выпрямителя.
Наиболее близким к предложенному является импульсный стабилизированный преобразователь напряжения [Власов Ю. Стабилизированный однотактный преобразователь напряжения // Радио, №3, 1999. - С. 37-39], выбранный в качестве прототипа, и содержащий первый и второй зажимы для подключения, соответственно, к положительному +E и отрицательному -E выводам электрической сети, импульсный трансформатор, начало первичной обмотки которого соединено с первым зажимом однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения, конец первичной обмотки импульсного трансформатора подсоединен к первому выходу транзисторного ключа, первый вход которого подключен к началу обмотки обратной связи, конец которой подсоединен ко второму зажиму однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения, к выходам датчика тока и блока сравнения тока, первый вход которого подключен к выходу блока сравнения напряжения, вход которого соединен с одной из обкладок конденсатора фильтра и, через обратно включенный первый диод, с концом обмотки стабилизации вторичного напряжения импульсного трансформатора, начало обмотки подсоединено ко второй обкладке конденсатора фильтра и второму зажиму однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения, второй выход блока сравнения токов соединен со вторым входом ключа, второй выход которого подключен к входу датчика тока и второму входу блока сравнения токов, конец вторичной обмотки подключен через второй диод к первому выходу однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения и одной из обкладок конденсатора, вторая обкладка которого соединена с началом вторичной обмотки и со вторым выходным зажимом однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения.
Недостатком прототипа является невозможность осуществлять одновременное комбинированное управление по току через транзисторный ключ и регулирование максимального и минимального диапазона стабилизации выходного высокого постоянного напряжения от одного источника опорного напряжения, большие размеры импульсного трансформатора, низкие КПД и надежность преобразователя.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в существенном уменьшении размеров импульсного трансформатора, повышении точности одновременного комбинированного управления по току через транзисторный ключ, повышении точности регулирования максимального и минимального диапазона стабилизации выходного высокого постоянного напряжения от одного источника опорного напряжения, а также повышении КПД и надежности однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя постоянного напряжения.
Техническим результатом является создание однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя постоянного напряжения, имеющего повышенную точность регулирования максимального и минимального диапазона стабилизации выходного высокого постоянного напряжения от одного источника опорного напряжения, а также повышенный КПД и надежность.
Технический результат достигается тем, что однотактный обратноходовой стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержит первый и второй зажимы для подключения, соответственно, к положительному +E выводу и отрицательному -E (общему) выводу бортовой электрической сети автомобиля, импульсный трансформатор, начало первичной обмотки которого соединено с первым зажимом однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения, конец первичной обмотки импульсного трансформатора подсоединен к первому выходу транзисторного ключа, первый вход, которого подключен к началу обмотки обратной связи, второй выход транзисторного ключа соединен со вторым входом блока сравнения токов и входом датчика тока, выход которого подсоединен к первому выходу блока сравнения тока, второму зажиму однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения, конец вторичной обмотки подключен через диод к выходному зажиму однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения, первому входу блока сравнения напряжений и одной из обкладок накопительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена с началом вторичной обмотки и со вторым зажимом однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения, дополнительно в него введены источник опорного напряжения и усилитель, причем первый и второй зажимы однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения подсоединены, соответственно, к первому и второму входам источника опорного напряжения, первому и второму входам усилителя, второму и третьему входам блока сравнения напряжения, выход источника опорного напряжения подключен к первому входу блока сравнения токов и четвертому входу блока сравнения напряжения, первый выход и пятый вход которого соединены, соответственно, с третьим входом и первым выходом усилителя, управляющий вход которого подсоединен к зажиму управления однотактным обратноходовым стабилизированным преобразователем напряжения, четвертый вход усилителя подключен ко второму выходу блока сравнения токов, второй вход которого соединен с пятым входом усилителя, второй выход которого подключен ко второму входу транзисторного ключа, второй и третий выходы которого подсоединены, соответственно, к концу обмотки обратной связи и второму зажиму однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что введение источника опорного напряжения и усилителя позволило существенно уменьшить размеры импульсного трансформатора за счет повышения частоты преобразования, и повысить точность одновременного комбинированного управления по току длительностью открытого состояния транзисторного ключа при изменении напряжения питания бортовой сети автомобиля, и точность регулирования за счет использования в блоке сравнения напряжений релейного элемента с гистерезисом по максимальному и минимальному диапазону стабилизации выходного высокого постоянного напряжения от одного источника опорного напряжения. Повышение надежности преобразователя осуществляется за счет исключения лавинного пробоя транзисторного ключа на полевом транзисторе при закрывании.
Однотактный обратноходовой стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (Фиг. 1, Фиг. 2), содержит первый 1 и второй 2 зажимы для подключения, соответственно, к положительному +E выводу и отрицательному -E (общему) выводу бортовой электрической сети автомобиля. Импульсный трансформатор 10, начало первичной обмотки W1 которого соединено с первым 1 зажимом однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения. Конец первичной обмотки W1 импульсного трансформатора 10 подсоединен к первому выходу транзисторного ключа 8, первый вход, которого подключен к началу обмотки W2 обратной связи. Второй выход транзисторного ключа 8 соединен со вторым входом блока сравнения тока 5 и входом датчика тока 9, выход которого подсоединен к первому выходу блока сравнения тока 5, второму зажиму 2 однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения. Конец вторичной обмотки W3 подключен через диод 11 к выходному зажиму 13 однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения, первому входу блока 4 сравнения напряжений и одной из обкладок накопительного конденсатора 12. Вторая обкладка накопительного конденсатора 12 соединена с началом вторичной обмотки W3 и со вторым зажимом 2 однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения, первый 1 и второй 2 зажимы которого подсоединены, соответственно, к первому и второму входам источника 3 опорного напряжения, первому и второму входам усилителя 6, второму и третьему входам блока 4 сравнения напряжения. Выход источника 3 опорного напряжения подключен к первому входу блока 5 сравнения токов и четвертому входу блока 4 сравнения напряжения, первый выход и пятый вход блока 4 сравнения напряжений соединены, соответственно, с третьим входом и первым выходом усилителя 6, управляющий вход, которого подсоединен к зажиму 7 управления однотактным обратноходовым стабилизированным преобразователем напряжения. Четвертый вход усилителя 6 подключен ко второму выходу блока 5 сравнения токов. Второй вход блока 5 сравнения токов соединен с пятым входом усилителя 6, второй выход которого соединен со вторым входом транзисторного ключа 8, второй и третий выходы которого подсоединены, соответственно, к концу обмотки W2 обратной связи и второму зажиму 2 однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения.
На Фиг. 2 приведена принципиальная схема однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя постоянного напряжения.
0
1
3
1
2
3
4
2
4
6
C12max
C12max
C12max
C12min
C12min
При включении питания транзисторный ключ 8 открывается, и ток начинает протекать через первичную обмотку W1 трансформатора 10, транзисторный ключ 8, и через датчик тока 9 (Фиг. 3а, момент времени t). При достижении максимального значения тока через первичную обмотку W1 трансформатора 10, что определяется по сигналам с источника опорного напряжения 3 и с датчика тока 9, подается сигнал со второго выхода блок сравнения токов 5 на четвертый вход усилитель 6, сигнал с его второго выхода, поступающий на второй вход ключа 8, закрывает ключ 8 (Фиг. 3а, момент времени t, t, и т.д. все нечетные). Энергия магнитного поля, накопленная в магнитном поле обмоток и магнитопроводе трансформатора 10, передается через импульсный диод 11 на накопительный конденсатор 12 (Фиг. 3б, с момента времени t до момента времени t, и, соответственно, с t до момента времени t и т.д.). Затем транзисторный ключ 8 открывается (Фиг. 3а, момент времени t и, соответственно, t, t и все четные), и описанные процессы повторяются. Преобразователь напряжения работает в автогенераторном режиме, частота переключения транзисторного ключа 8 составляет несколько десятков килогерц, и определяется параметрами трансформатора 10. В блоке сравнения 4 происходит сравнение напряжения от источника опорного напряжения 3 и напряжения с накопительного конденсатора 12. При достижении на накопительном конденсаторе 12 заданного значения U напряжения (Фиг. 3в, U), с выхода блока сравнения напряжения 4 подается сигнал на усилитель 6, который закрывает транзисторный ключ 8. В этот момент накопление энергии в накопительном конденсаторе 12 прекращается. При снижении напряжения на накопительном конденсаторе 12 вследствие его разрядки до значения U напряжения, (Фиг. 3в, U), сигнал, запрещающий работу транзисторного ключа 8, не подается и ключ 8 вновь открывается, конденсатор подзаряжается до заданного значения U напряжения.
вх
у
l5
16
16
C12max
Для исключения сбоев в работе однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя постоянного напряжения при его работе в составе транзисторного или тиристорного модуля зажигания применено выключение его на момент разряда накопительного конденсатора 12, для чего на вход управления 7 подается входной управляющий сигнал U. уровня логической единицы (Фиг. 4б, в момент времени t и до момента времени t). С момента времени t накопительный конденсатор вновь начинает заряжаться до значения U напряжения.
Однотактный обратноходовый стабилизированный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.
Преобразователь напряжения содержит первый 1 и второй 2 зажимы для подключения, соответственно, к положительному +E выводу и отрицательному -E (общему) выводу бортовой электрической сети автомобиля, источник 3 опорного напряжения (образованного резистором 3-1, стабилитроном 3-2, конденсатором 3-3, который предназначен для снижения помех в выходном опорном напряжении), блок 4 сравнения напряжений (транзисторы 4-1, 4-4), блок 5 сравнения тока (транзисторы 5-2 и 5-3), усилитель 6 (транзисторы 6-2, 6-8, 6-11, 6-14), транзисторный ключ 8 (транзистор 8-2, стабилитрон 8-3, выполняющий функцию ограничения импульсного напряжения), датчик тока 9 (резистор 9-1), импульсный трансформатор 10 (первичная обмотка W1, обмотка обратной связи W2, вторичная обмотка W3), импульсный диод 11, накопительный конденсатор 12 и выходной зажим 13.
C12max
C12min
Транзисторы 4-1, 4-4 образуют дифференциальный каскад, работающий в режиме компаратора напряжения. На базу транзистора 4-1 подано напряжение с источника опорного напряжения 3. На пятый вход 4 блока сравнения напряжений подано напряжение с выхода делителя напряжения, образованного резисторами 4-5 и 4-6. Делитель напряжения подключен к накопительному конденсатору 12. Резистор 4-7 создает положительную обратную связь по напряжению, что обеспечивает необходимый гистерезис (U и U) и стабильность блока 4 сравнения напряжения.
Выходное напряжение блока 4 сравнения напряжения с коллектора транзистора 4-4 подается на третий вход усилителя 6 и через согласующий каскад на транзисторе 6-2 и через резистор 6-5 подается на вход усилителя на транзисторах 6-8, 6-11,6-14.
Транзистор 5-3 блока 5 сравнения токов работает в режиме компаратора. На базу транзистора 5-3 через делитель напряжения, образованного резисторами 5-1, 5-4 и транзистором 5-2 в диодном включении, подается напряжение от источника 3 опорного напряжения. На эмиттер транзистора 5-3 поступает напряжение с датчика тока - резистора 9-1 с суммарным сопротивлением 0,05 Ом.
Выходное напряжение блока сравнения токов с коллектора транзистора 5-3 поступает на четвертый вход усилителя 6 и через диод 6-4 подается на базу транзистора 6-8. Диоды 6-4, 6-6 и резистор 6-7 образуют схему сложения типа «диодное ИЛИ». Через диод 6-6 от блока управления подается сигнал уровня логической «1» (рис. 4, б), запрещающий работу преобразователя на время разряда накопительного конденсатора 12.
Транзисторы 6-8 и 6-11 являются усилителями тока, и обеспечивают работу транзистора 6-14, непосредственно управляющего транзисторным ключом 8 (транзистором 8-2, реализованного на полевом транзисторе IRF3710). Стабилитрон 8-3 служит для защиты транзистора 8-2 от превышения напряжения на затворе, и от обратного напряжения на затворе.
Нагрузкой ключа 8 является импульсный трансформатор 10, содержащий три обмотки. Первичная обмотка W1 включена в цепь стока полевого транзистора 8-2, вторичная обмотка W2 является обмоткой обратной связи и конец ее подключена к истоку транзистора 8-2, а начало обмотки W2 обратной связи подключено через резистор R17 к затвору полевого транзистора 8-2. Наличие обмотки W2 обратной связи обеспечивает автогенераторный режим работы преобразователя напряжения. К стоку транзистора 8-2 подключен ограничитель напряжения - стабилитрон 8-3 типа Д817В2 с напряжением стабилизации 82 В. Ограничитель напряжения предотвращает пробой транзистора 8-2 от выбросов напряжения на его стоке в момент запирания.
Импульсы напряжения с третьей выходной обмотки W3 трансформатора 10 через импульсный диод 11 типа КД257В поступают на накопительный конденсатор С2 емкостью 3…4 мкФ. Напряжение на накопительном конденсаторе возрастает ступенчато, и достигает номинального значения 350 В за 4 мс. График напряжения на накопительном конденсаторе С2 представлен на рис. 3, б.
Таким образом, предлагаемое техническое решение в соответствии с решаемой задачей позволяет существенно уменьшить размеры импульсного трансформатора, повысить точность одновременного комбинированного управления по току через транзисторный ключ и точность регулирование максимального и минимального диапазона стабилизации выходного высокого постоянного напряжения от одного источника опорного напряжения, а также повысить КПД и надежность преобразователя путем исключением возможности открывания силового ключа при закороченном магнитопроводе выходного импульсного трансформатора.