СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
STABILISING MAINS VOLTAGE CONVERTER FOR LF PULSE PERIODIC LOAD POWER SUPPLY

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электропитания низкочастотной импульсной периодической нагрузки, в частности для электропитания транзисторных радиопередатчиков.
Известен стабилизирующий преобразователь сетевого напряжения, содержащий сетевой выпрямитель, повышающий регулятор напряжения с активным корректором коэффициента мощности, регулируемый конвертор (Электрическое питание, 2006, №3, с.31-33).
Такой преобразователь имеет низкий коэффициент мощности и большую модуляцию входного тока потребления из-за его провалов до нулевого значения при работе на низкочастотную импульсную периодическую нагрузку.
Известен наиболее близкий к заявленному по совокупности существенных признаков стабилизирующий преобразователь сетевого напряжения, содержащий сетевой выпрямитель, регулируемый конвертор, повышающий регулятор напряжения с активным корректором коэффициента мощности, состоящий из индуктивности, ключевого полевого транзистора, коммутирующего диода, накопительного конденсатора, двух резистивных делителей напряжений, датчика зарядного тока, первого усилителя напряжения с отрицательной обратной связью, аналогового умножителя с тремя управляющими входами, усилителя тока с отрицательной обратной связью, широтно-импульсного модулятора, трех резисторов смещения, первого источника опорного напряжения, служебного источника электропитания (патент США №7239120 В2, НКИ 323/222, 2007 г.).
В этом стабилизирующем преобразователе сетевого напряжения возникает высокая модуляция входного тока потребления от электросети и резко снижается коэффициент мощности при работе на низкочастотную импульсную периодическую нагрузку. Эти недостатки вызываются провалами до нулевого значения зарядного тока накопительного конденсатора, а соответственно и входного тока, во время паузы тока импульсной нагрузки. Дело в том, что в режиме низкочастотной импульсной нагрузки пульсации напряжения на накопительном конденсаторе в несколько раз превышают статическое отклонение напряжения на нем для среднего за период значения импульсного тока нагрузки. Поэтому первый усилитель напряжения периодически переходит во время импульса из режима отсечки в режим насыщения, а во время паузы из режима насыщения в режим отсечки, что приводит в результате к низкочастотному импульсному характеру зарядного тока накопительного конденсатора.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в уменьшении модуляции входного тока потребления от электросети и повышении коэффициента мощности при работе на низкочастотную импульсную периодическую нагрузку.
Для достижения этого технического результата стабилизирующий преобразователь сетевого напряжения, содержащий сетевой выпрямитель, повышающий регулятор напряжения с активным корректором коэффициента мощности, состоящий из индуктивности, ключевого полевого транзистора, коммутирующего диода, накопительного конденсатора, двух резистивных делителей напряжений, датчика зарядного тока, первого усилителя напряжения с отрицательной обратной связью, аналогового умножителя с тремя управляющими входами, усилителя тока с отрицательной обратной связью, широтно-импульсного модулятора, трех резисторов смещения, первого источника опорного напряжения, служебного источника электропитания, причем положительный вывод сетевого выпрямителя соединен с входным выводом первого делителя напряжения и с первыми выводами первого резистора смещения и индуктивности, второй вывод которой соединен со стоком полевого ключевого транзистора и с анодом коммутирующего диода, катод которого соединен с положительным выводом накопительного конденсатора, с входным выводом второго делителя напряжения и с положительным входным выводом регулируемого конвертора; отрицательный вывод сетевого выпрямителя соединен с первым выводом датчика зарядного тока, второй вывод которого соединен с истоком полевого ключевого транзистора, с общими выводами первого и второго делителей напряжений, с отрицательными выводами накопительного конденсатора, первого источника опорного напряжения, служебного источника электропитания, с входным отрицательным выводом регулируемого конвертора; затвор полевого ключевого транзистора соединен с выходом широтно-импульсного модулятора, управляющий вход которого соединен с выходом усилителя тока, инвертирующий вход которого через второй резистор смещения подключен к второму выводу датчика зарядного тока, первый вывод которого через третий резистор смещения подключен к неинвертирующему входу усилителя тока и к выходу аналогового умножителя, первый и второй управляющие входы для линейного преобразования сигнала которого подключены соответственно к второму выводу первого резистора смещения и к выходу первого усилителя напряжения, а третий управляющий вход для среднеквадратичного преобразования сигнала подключен к выходному выводу первого делителя напряжения; неинвертирующий вход первого усилителя напряжения соединен с первым источником опорного напряжения, а инвертирующий вход подключен к выходному выводу второго делителя напряжения; входы питания первого источника опорного напряжения, первого усилителя напряжения, усилителя тока, аналогового умножителя, широтно-импульсного модулятора подключены к служебному источнику электропитания, дополнен инерционным узлом автоматического регулирования зарядного тока, состоящим из второго усилителя напряжения с жесткой отрицательной обратной связью, компаратора напряжения, третьего резистивного делителя напряжения, четвертого и пятого резистивных делителей напряжений с фильтрующими конденсаторами в выходных плечах, шестого резистивного делителя напряжения, второго источника опорного напряжения, оптотранзистора, четвертого и пятого резисторов смещения, причем входной и общий выводы третьего делителя напряжения соединены соответственно с входным и общим выводами первого делителя напряжения, а выходной вывод соединен с коллектором оптотранзистора, эмиттер которого через четвертый резистор смещения подключен к инвертирующему входу усилителя тока; входной и общий выводы четвертого делителя напряжения подключены к выводам накопительного конденсатора, а выходной вывод подключен к неинвертирующему входу второго усилителя напряжения, инвертирующий вход которого соединен с выходным выводом пятого делителя напряжения, входной и общий выводы которого подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам второго источника опорного напряжения; выход второго усилителя напряжения соединен с анодом светодиода оптотранзистора, катод которого через пятый резистор смещения подключен к выходу компаратора, который инвертирующим входом подключен к выходному выводу второго делителя напряжения, а неинвертирующим входом подключен к выходному выводу шестого делителя напряжения, входной и общий выводы которого соединены соответственно с положительным и отрицательным выводами первого источника опорного напряжения; входы питания второго усилителя напряжения, второго источника опорного напряжения и компаратора напряжения подключены к служебному источнику электропитания.
Функциональная схема заявленного устройства представлена на рисунке.
Устройство содержит сетевой выпрямитель 1 с входным фильтром электромагнитных помех, регулируемый конвертор напряжения 2, повышающий высокочастотный импульсный регулятор напряжения 3 с активным корректором коэффициента мощности, состоящий из индуктивности 4, коммутирующего диода 5, ключевого полевого транзистора 6, накопительного конденсатора 7, датчика 8 зарядного тока, первого делителя 9 и второго делителя 10 напряжений, первого резистора 11 смещения, первого усилителя 12 напряжения с отрицательной обратной связью, аналогового умножителя 13 с тремя управляющими входами, усилителя 14 тока с отрицательной обратной связью, широтно-импульсного модулятора 15, второго резистора 16 и третьего резистора 17 смещений, первого источника 18 опорного напряжения, служебного источника 19 электропитания, инерционный узел 20 автоматического регулирования зарядного тока, состоящий из второго усилителя 21 напряжения с жесткой отрицательной обратной связью, компаратора 22 напряжения, третьего резистивного делителя 23 напряжения, четвертого резистивного делителя 24 и пятого резистивного делителя 25 напряжений с фильтрующими конденсаторами в выходных плечах, шестого резистивного делителя 26 напряжения, второго источника 27 опорного напряжения, оптотранзистора 28, четвертого резистора 29 и пятого резистора 30 смещений.
Положительный вывод выпрямителя 1 соединен с входными выводами первого делителя 9 и третьего делителя 23 напряжений и с первыми выводами индуктивности 4 и первого резистора 11 смещения. Второй вывод индуктивности 4 соединен со стоком транзистора 6 и с анодом диода 5. Катод диода 5 соединен с положительным выводом конденсатора 7, с входными выводами второго 10 и четвертого 24 делителей напряжений, с положительным входным выводом конвертора 2. Отрицательный вывод выпрямителя 1 соединен с первым выводом датчика 8, второй вывод которого соединен с отрицательными выводами конденсатора 7, конвертора 2, источников 18 и 27 опорных напряжений, служебного источника 19 электропитания, с общими выводами делителей 9, 10, 23, 24, 25, 26 напряжений. Затвор транзистора 6 соединен с выходом модулятора 15, управляющий вход которого соединен с выходом усилителя 14 тока. Инвертирующий вход усилителя 14 через резистор 16 подключен к второму выводу датчика 8, первый вывод которого через резистор 17 подключен к неинвертирующему входу усилителя 14 и к выходу умножителя 13. Первый и второй управляющие входы умножителя 13 для линейного преобразования сигнала подключены соответственно к второму выводу резистора 11 и выходу усилителя 12, а третий управляющий вход для среднеквадратичного преобразования сигнала подключен к выходному выводу делителя 9. Неинвертирующий вход усилителя 12 соединен с положительным выводом источника 18 и с входным выводом делителя 26, а инвертирующий вход усилителя 12 соединен с выходным выводом делителя 10 и с инвертирующим входом компаратора 22. Неинвертирующий вход усилителя 21 соединен с выходным выводом делителя 24, а инвертирующий вход соединен с выходным выводом делителя 25, входной вывод которого подключен к источнику 27. Выход усилителя 21 соединен с анодом светодиода оптотранзистора 28, катод которого через резистор 30 подключен к выходу компаратора 22. Коллектор оптотранзистора 28 соединен с выходным выводом делителя 23, а эмиттер через резистор 29 подключен к инвертирующему входу усилителя 14. Неинвертирующий вход компаратора 22 соединен с выходным выводом делителя 26. Входы питания источников 18 и 27 опорных напряжений, усилителей 12, 14, 21, модулятора 15, умножителя 13, компаратора 22 подключены к служебному источнику 19 электропитания (на чертеже условно не показаны). Входные выводы 31 и 32 выпрямителя 1 подключаются к электросети. Выходные выводы 33 и 34 конвертора 2 подключаются к импульсной нагрузке.
Делитель 23 напряжения используется для задания необходимого режима работы выходной цепи оптотранзистора 28 и формы его выходного тока.
Делителем 10 напряжения устанавливается максимально допустимое напряжение на накопительном конденсаторе 7 в режиме холостого хода повышающего регулятора 3.
Делитель 24 напряжения используется для формирования на неинвертирующем входе усилителя 21 управляющего напряжения с соответствующим коэффициентом фильтрации переменной составляющей напряжения накопительного конденсатора 7 в режиме импульсной периодической нагрузки. Постоянная времени делителя 24 напряжения сравнима с длительностью наибольшего периода импульсной низкочастотной нагрузки.
Делителем 25 напряжения устанавливается среднее значение напряжения на конденсаторе 7 в режиме номинальной импульсной нагрузки, которое меньше напряжения холостого хода на значение, равное статическому отклонению и половине переменной составляющей напряжения на накопительном конденсаторе 7.
Делителем 26 напряжения устанавливается пороговый уровень напряжения переключения компаратора 22 и вместе с ним всего инерционного узла 20 автоматического регулирования зарядного тока из режима регулирования в режим отсечки при переходе напряжения на накопительном конденсаторе 7 через нижнюю допустимую границу спада. Это переводит регулятор напряжения 3 в режим с максимально допустимым зарядным током для того, чтобы сократить длительность переходного процесса как при включении регулятора напряжения 3, так и при скачкообразном увеличении импульсного тока нагрузки.
Резистор 17 смещения используется в качестве датчика выходного тока аналогового умножителя 13. Напряжение на резисторе 17 является опорным, с которым на входе усилителя 14 тока сравнивается напряжение, выделяющееся на датчике 8 зарядного тока.
Резистор 16 используется в качестве датчика выходного тока узла 20 автоматического регулирования зарядного тока. Напряжение, выделяющееся на резисторе 16, подается на инвертирующий вход усилителя 14 тока для обеспечения его работы в зоне регулирования в режиме импульсной периодической нагрузки.
Работа устройства в режиме низкочастотной импульсной периодической нагрузки происходит следующим образом. Регулируемый конвертор преобразует выходное напряжение регулятора 3, формируемое на накопительном конденсаторе 7, в постоянное стабилизированное напряжение необходимого уровня, прикладываемое к выходным выводам 33 и 34 для подключения нагрузки. Амплитудное значение напряжения на конденсаторе 7 во время действия импульса нагрузки изменяется от верхнего уровня, отстоящего от холостого хода на статическое отклонение, до нижнего уровня на величину переменной составляющей, а во время паузы изменяется от нижнего уровня до верхнего уровня. В этом режиме управляющее напряжение на входе усилителя 12 напряжения возрастает до значений, при которых он переходит в режим насыщения. На выходе усилителя 12 создается максимальный сигнал, который поступает на аналоговый умножитель 13 и переводит его в режим с максимальным выходным током, от которого на резисторе 17 создается завышенное напряжение смещения, поступающее на неинвертирующий вход усилителя 14 тока. Одновременно инерционный узел 20 регулирования с помощью резистора 16 смещения формирует противоположный по воздействию дополнительный сигнал на инвертирующем входе усилителя 14 тока, который компенсирует завышенный уровень напряжения на резисторе 17 смещения и поддерживает усилитель 14 тока в зоне регулирования. Выходное напряжение усилителя 14 поступает на управляющий вход широтно-импульсного модулятора 15, который с помощью ключевого транзистора 6 формирует высокочастотные зарядные импульсы тока в индуктивности, разрядные импульсные токи которой через диод 5 поступают в накопительный конденсатор 7. Величина напряжения смещения на резисторе 16 зависит от среднего значения напряжения на накопительном конденсаторе 7 для определенного режима импульсной периодической нагрузки. Значение зарядного тока, проходящего через датчик 8 тока, будет пропорционально разности напряжений смещений на резисторах 17 и 16. При неизменном режиме импульсной нагрузки напряжения на резисторах 17 и 16 также остаются постоянными. Поэтому и зарядный ток остается неизменным и непрерывным.
При уменьшении амплитуды импульсов тока нагрузки будет снижаться как среднее за период значение импульсного тока, так и значение зарядного тока. Действительно, при уменьшении амплитуды импульсов тока нагрузки происходит уменьшение переменной составляющей напряжения на накопительном конденсаторе 7, что приводит к увеличению среднего значения напряжения на нем. Это по цепочке обратной связи из делителя 24, усилителя 21, оптотранзистора 28 приводит к увеличению напряжения смещения на резисторе 16. Это вызывает уменьшение входного и выходного напряжений усилителя 14 и входного напряжения модулятора 15, уменьшение длительности импульсов на выходе модулятора 15, уменьшение амплитуды зарядных и разрядных высокочастотных импульсов тока индуктивности 4. В конечном итоге произойдет уменьшение зарядного тока до нового значения при сохранении его непрерывности.
Таким образом, предложенный стабилизирующий преобразователь сетевого напряжения позволяет устранить модуляцию входного тока потребления от электросети и обеспечить высокий (более 0,98) коэффициент мощности при работе на низкочастотную импульсную периодическую нагрузку.
Предложенное техническое решение проверено в составе блока электропитания с выходным напряжением 25 В на импульсную нагрузку с частотой 5 Гц, скважностью 2 и амплитудой тока 28 А. Результаты положительны. Если до введения предложенного решения коэффициент модуляции входного тока потребления от однофазной электросети (220 B, 50 Гц) составлял 100%, а коэффициент мощности блока менее 75%, то после введения в блок предложенного решения коэффициент модуляции входного тока блока снизился до менее 3%, а коэффициент мощности блока увеличился до более 98%. Кроме того, блок электропитания с предложенным техническим решением показал высокие технические характеристики и при работе на непрерывную (постоянную) нагрузку.