УСТРОЙСТВО ЗАПУСКА И ЗАЩИТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Область техники
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭ), работающих при большой реактивной нагрузке на выходе, в качестве схемы запуска и защиты, а именно для работы ИВЭ в «икающем» режиме.
Уровень техники
Цепи управления ИВЭ обычно выполняются на микросхемах, поэтому их питание организуется иногда от дополнительного низковольтного выпрямителя с отдельным маломощным трансформатором, однако это увеличивает габариты и массу ИВЭ.
Наибольшее распространение получили ИВЭ, в которых для первоначального запуска устройства управления применяют специальные «стартовые» схемы подачи питания. После того как мощный каскад преобразования заработал, питание на устройство управления поступает от одной из обмоток силового импульсного трансформатора или дросселя, а «стартовая» схема отключается.
Известно устройство (патент US 5498995 «Short circuit frequency shift circuit for switching regulators», дата приоритета 12.03.1996 г., МПК H02M 3/335, G05F 1/10), в котором для фильтрации напряжения, возникающего на обмотке подпитки 42 трансформатора TR1, используется дроссель L1, включенный в цепь обмотки подпитки 42 трансформатора TR1.
ВЫХ
К недостаткам данного устройства относится то, что в режиме «икания» при коротком замыкании на выходе (КЗ) величина индуктивности дросселя L1 не обеспечивает защиту от высоковольтных выбросов напряжения, возникающих на обмотке подпитки, и нет раздельной регулировки времени включения и времени во включенном состоянии.
Известно устройство (патент US 5815383 «High voltage start-up circuit and method therefor», дата приоритета 27.12.1996 г., МПК H02M 7/517, H02M 1/00), в котором в начальный момент времени, при включении питания, генератор тока 10 производит заряд конденсатора 50. Далее, когда преобразователь PWM 1 с 42 начинает работать, генератор тока 10 отключается и заряд конденсаторов 52 и 50 производится через вторичную обмотку подпитки 44A трансформатора 44 и диоды 46, 48.
ВЫХ
К недостаткам устройства относится то, что в режиме «икания» при КЗ отсутствует защита от высоковольтных импульсов в цепи вторичной обмотки подпитки 44A трансформатора 44.
Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Сущность полезной модели
ВЫХ
Техническим результатом работы ИВЭ при большой реактивной нагрузке на выходе, что соответствует в первоначальный момент запуска короткому замыканию на выходе (КЗ), является:
- обеспечение независимой регулировки времени включения и времени во включенном состоянии модуля;
- защита контроллера ШИМ от высоковольтных импульсов напряжения, возникающих на обмотке подпитки трансформаторно-выпрямительного узла.
Данный технический результат достигается за счет того, что устройство запуска и защиты преобразователя напряжения (фиг. 1) содержит: контроллер ШИМ 3; цепь подпитки, включающую: трансформаторно-выпрямительный узел 1, содержащий вторичную обмотку силового трансформатора (T1) с выпрямительной цепью, соединенный одним выводом с цепью возврата тока, второй конденсатор (C2), подключенный между входом питания контроллера ШИМ 3 и цепью возврата тока; пусковую цепь 2, включенную между положительной шиной ИВЭ и входом питания контроллера ШИМ 3, причем цепь подпитки содержит дроссель (L1), подключенный одним выводом к другому выводу трансформаторно-выпрямительного узла 1, диод (VD1), подключенный анодом к другому выводу дросселя (L1), стабилитрон (VD2), подключенный катодом к катоду первого диода (VD1), а анодом к входу питания контроллера ШИМ 3, параллельно соединенные резистор (R1) и первый конденсатор (C1), включенные между общей точкой соединения дросселя (L1) и диода (VD1) и цепью возврата тока.
ВЫХ
Для того чтобы обеспечить режим работы ИВЭ в котором используется большая реактивная нагрузка, например большая емкость или электродвигатель, воспринимаемая ИВЭ при первоначальном запуске как режим КЗ на выходе (КЗ), устройство переходит в «икающий» режим, циклически включаясь для заряда реактивной нагрузки и отключаясь для охлаждения ИВЭ.
ВЫХ
ВЫХ
ВЫХ
Период «икающего» режима при КЗ обеспечивается использованием конденсатора в цепи питания контроллера ШИМ достаточной емкости (конденсатор C2). Однако в этом случае появляется прямо противоположные требования. Время включения ИВЭ при первоначальном запуске должно быть минимальным и достаточным для охлаждения ИВЭ в «икающем» режиме при КЗ, а время включенного состояния ИВЭ в «икающем» режиме при КЗ должно быть большим и достаточным для заряда реактивной нагрузки (большой емкости или пуск электродвигателя).
Еще одной проблемой в «икающем» режиме является появление высоковольтных выбросов напряжения, возникающих на трансформаторно-выпрямительном узле, как следствие малой длительности импульсов тока силового транзистора и наличии индуктивности рассеяния силового трансформатора.
ВЫХ
ВЫХ
Для решения данных проблем было предложено разделить конденсатор в цепи питания контроллера ШИМ при помощи диода. Один конденсатор используется для заряда от пусковой цепи, обеспечивая малое время включения при первоначальном запуске и достаточное для охлаждения ИВЭ в «икающем» режиме при КЗ. Другой конденсатор изолирован от пусковой цепи разделительным диодом и заряжается от трансформаторно-выпрямительного узла. Его емкость обеспечивает совместно с первым конденсатором необходимое время включенного состояния ИВЭ в «икающем» режиме при КЗ. Для защиты от высоковольтных выбросов напряжения на трансформаторно-выпрямительном узле между ним и разделительным диодом включается дроссель защиты и между контроллером ШИМ и разделительным диодом включается стабилитрон, ограничивающий высоковольтные выбросы.
Работа устройства поясняется на примере варианта его исполнения (фиг. 2) и диаграммами (фиг. 3, 4).
C2
C1C2
В момент первоначального включения ИВЭ (фиг. 3.), когда производится подача напряжения +Uin на вход ИВЭ начинается заряд конденсатора C2 (кривая U) с помощью пусковой цепи 2, например с помощью генератора тока. При достижении напряжения на конденсаторе C2 достаточного для запуска контроллера ШИМ 3, начинает работать преобразователь ИВЭ и на его выходе появляется выходное напряжение. Одновременно с этим на выходе трансформаторно-выпрямительного узла 1 появляется напряжение подпитки, которое заряжает конденсатор C1 и через разделительный диод VD1 и стабилитрон VD2 конденсатор C2 (кривая U) и питание контроллера ШИМ 3 производится уже от цепи трансформаторно-выпрямительного узла 1.
ВЫХ
C1C2
ВЫХ
При возникновении режима КЗ (фиг. 4) длительность выходных импульсов контроллера ШИМ 3 уменьшается под воздействием информации от датчика тока 4 и как только энергии импульсов тока в обмотке подпитки становится недостаточно для полного заряда конденсаторов C1 и C2, начинается их постепенный разряд (кривая U). При достижении напряжения питания контроллера ШИМ 3 определенного порогового значения она отключается. Время разряда конденсаторов С1 и С2 определяет время во включенном состоянии модуля в «икающем» режиме при КЗ. Высоковольтные выбросы напряжения, возникающие на выходе трансформаторно-выпрямительного узла 1 сглаживаются дросселем защиты L1 конденсаторами C1 и обрезаются стабилитроном VD2.
C2
ВЫХ
ВЫХ
После отключения контроллера ШИМ 3 начинается заряд конденсатора C2 от пусковой сети 2 (кривая U) и цикл повторяется до исчезновения КЗ. Этот эффект связан с тем, что ток потребления контроллера ШИМ 3 в выключенном состоянии на несколько порядков меньше тока потребления во включенном состоянии. Время заряда конденсатора C2 определяет время включения модуля при первоначальном запуске модуля и в «икающем» режиме при КЗ.
ВЫХ
Преимуществом данного устройства запуска и защиты является то, что в «икающем» режиме при КЗ помимо независимой регулировки времени включения и времени во включенном состоянии модуля обеспечивается еще и функция защиты от высоковольтных импульсов напряжения, возникающих на трансформаторно-выпрямительном узле.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается совокупностью заявленных признаков от прототипа, а, следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.