УСТРОЙСТВО ОБРАТНОЙ СВЯЗИ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ РАЗВЯЗКОЙ

Полезная модель относится к электротехнике и может применяться в цепях обратной связи с трансформаторной развязкой для управления преобразователями напряжения.
В большинстве схем преобразователей напряжения для электрической развязки вторичной и первичной цепей используется магнитная цепь трансформатора. Когда управляющее устройство расположено на стороне первичного источника питания (т.е. со стороны первичной обмотки разделительного трансформатора), требуется, чтобы цепь обратной связи по выходному напряжению «пересекала» изоляционный барьер. Если управляющее устройство питается от гальванически изолированного выхода источника питания, то изоляционный барьер должна пересекать цепь управления транзисторным ключом.
Известен способ передачи информации о выходном напряжении на управляющую ИС через изоляционный барьер с помощью оптопары. [сайт «Блоки питания PC и UPS» - Импульсные источники питания - Схемы с трансформаторной развязкой, рис.5.1, адрес страницы в Интернет: http://www.hserv.ru/power-supply/trans-circuitry.php]
Недостатками оптопар являются: ограниченный ресурс их работы в условиях воздействия ввысокой температуры и ионизирующих излучений; большой разброс передаточной характеристики от экземпляра к экземпляру при перепадах температуры внешней среды.
Известен способ развязки цепи обратной связи в котором маломощный сетевой трансформатор, работающий в линейном режиме вырабатывает вспомогательное напряжение питания для управляющего устройства, расположенного на вторичной стороне [сайт «Блоки питания PC и UPS» - Импульсные источники питания - Схемы с трансформаторной развязкой, рис.5.2, адрес страницы в Интернет: http://www.hserv.ru/power-supply/trans-circuitry.php].
Основным недостатком этого метода является то, что вспомогательный сетевой трансформатор увеличивает габариты преобразователя.
Известен преобразователь напряжения постоянного тока [патент на изобретение №2279176, Н02М 3/335, приоритет от 31.12.2004], в котором для передачи сигнала управления через изоляционный барьер часть выходного напряжения передается через развязывающий трансформатор на узел формирования сигнала обратной связи, который затем выпрямляется и передается на схему управления.
Недостатками устройства является необходимость учитывать коэффициент передачи узла развязки при расчете параметров цепи обратной связи и инерционность схемы за счет интегрирования сигнала обратной связи на конденсаторе фильтра-выпрямителя.
Известно техническое решение, когда для управления импульсным трансформатором и импульсной усредняющей цепью применена микросхема с ШИМ-управлением [сайт «Блоки питания PC и UPS» - Импульсные источники питания - Схемы с трансформаторной развязкой, рис.5.4, адрес страницы в Интернет: http://www.hserv.rn/power-supply/trans-circuitry.php].
В данной схеме после разделительного трансформатора включена цепь восстановления постоянной составляющей, выходное напряжение на выходе которой равно пиковой амплитуде минус прямое падение напряжения на диоде. Эта цепь необходима для стабилизации уровня постоянной составляющей импульсов, чтобы он не менялся вслед за изменениями коэффициента заполнения, так как площадь импульсов (произведение их длительности на амплитуду, выражаемое параметром вольт-микросекунда) для любой части последовательности импульсных сигналов должна быть одной и той же.
Недостатками данной схемы является наличие в цепи восстановления постоянной составляющей фазового сдвига между высокочастотной частью схемы и цепью постоянного тока и задержки, определяемой характеристиками фильтра нижних частот. Кроме того избыточным схемотехническим решением является использование микросхемы с ШИМ-управлением на стороне вторичной обмотки питания.
Целью заявленного решения является создание устройства обратной связи с трансформаторной развязкой, которая не усложняет расчетов параметров цепи обратной связи, имеет минимальные массогабаритные характеристики и не вносит в сигнал обратной связи задержки и фазового сдвига.
Данная цель достигается за счет того, что устройство обратной связи с трансформаторной развязкой включающее последовательно соединенные датчик выходного напряжения; узел сравнения; развязывающий трансформатор; сумматор; узел управления; так же содержит генератор прямоугольных импульсов, подключенный к развязывающему трансформатору; датчик тока и генератор пилообразного напряжения, подключенные к сумматору, причем импульсы генератора прямоугольных импульсов синхронизированы по фазе с импульсами прямого хода преобразователя.
Сущность заявляемого устройства обратной связи с трансформаторной развязкой состоит в исключении дополнительных преобразований сигнала обратной связи, что позволяет уменьшить время отклика на изменение входных и выходных состояний преобразователя.
Сущность полезной модели и возможность его осуществления поясняются функциональной схемой, представленной на фиг.1.
Устройство обратной связи с трансформаторной развязкой включает: последовательно соединенные датчик выходного напряжения 1, узел сравнения 2, развязывающий трансформатор 3, сумматор 4, узел управления 5; также включает: генератор прямоугольных импульсов 6, подключенный к развязывающему трансформатору 3; датчик тока 7 и генератор пилообразного напряжения 8, подключенные к сумматору, причем импульсы генератора прямоугольных импульсов 6 синхронизированы по фазе с импульсами прямого хода преобразователя.
Для пояснения работы заявленного устройства на фиг.1 представлен преобразователь напряжения 9, который является объектом управления для заявляемого устройства обратной связи с гальванической развязкой.
Принцип работы иллюстрируется на фиг.2.
Предлагаемое устройство обратной связи с трансформаторной развязкой работает следующим образом.
сум
пор
ус
ос
ос
оп
оп
вых
ос
ос
оп
дт
Изначально узел управления 5 вырабатывает импульсную последовательность с максимальным коэффициентом заполнения, которая управляет работой управляющего ключа преобразователя напряжения 9 (на схеме не показан). Изменение коэффициента заполнения импульса происходит напряжением на входе устройства управления 5. Указанное напряжение представляет собой сумму импульсных сигналов, поступающих с развязывающего трансформатора 3, с датчика тока 7 и с генератора 8, предназначенного для увеличения крутизны нарастания импульса U с целью повышения устойчивости и помехозащищенности устройства обратной связи. Импульсы выходного напряжения узла управления 5 поступают на вход управляющего ключа преобразователя напряжения 9 (на схеме не указан). На выходе трансформаторно-выпрямительного узла преобразователя напряжения 9 (на схеме указан первичной Т 1.1 и вторичной Т 1.2 обмотками) вырабатывается выходное напряжение. Его часть через делитель напряжения 1 поступает на узел сравнения 2, где сравнивается с уставкой U. Выходной сигнал узла сравнения 2 U появляется, когда выходное напряжение преобразователя достигает номинального значения. При достижении выходным напряжением номинального значения, узел сравнения 2 разрешает прохождение синронизированных по фазе с импульсами прямого хода преобразователя импульсов генератора прямоугольных импульсов 6, через развязывающий трансформатор 3. На вторичной обмотке развязывающего трансформатора 3 появляется импульсное напряжение обратной связи U, величина амплитуды которого, находится в диапазоне: 0≤U≤U в зависимости от выходного тока и входного напряжения. Поскольку напряжение на входе компаратора тока узла управления 5 не может превышать значения U, узел управления 5 изменяет коэффициент заполнения импульсной последовательности, управляющей работой ключа преобразователя напряжения 9 (на схеме не показан) таким образом, чтобы поддерживать выходное напряжение преобразователя на номинальном значении U. Таким способом можно менять «порцию» энергии, передаваемой каждый период на выход преобразователя с тем, чтобы стабилизировать выходное напряжение. Максимальное значение выходного тока ограничено и реализуется при U=0. В режиме холостого хода преобразователя напряжение U, наоборот, максимально и близко по значению к U, а импульс тока U датчика тока 7 минимален по амплитуде и длительности, а иногда и вообще отсутствует.
сум
На фиг.3 и 4 представлены варианты схемного решения сумматора заявляемой полезной модели. В первом варианте (фиг.3) осуществления полезной модели сумматор 4 выполнен в виде последовательно соединенных нагрузки развязывающего трансформатора 3 и резистивного делителя, подключенного одним концом к выходу генератора пилообразного напряжения 8, а другим концом подсоединенного к нагрузке развязывающего трансформатора 3, причем управляющий сигнал U снимается со средней точки резистивного делителя.
ос
Во втором варианте осуществления полезной модели (фиг.4) сумматор 4 выполнен в виде операционного усилителя, причем сигналы с датчика тока и генератора прямоугольных импульсов приходят на прямой вход операционного усилителя, а сигнал обратной связи U, инвертированный, например, развязывающим трансформатором 3, подается на инверсный вход операционного усилителя.
В наилучшем варианте осуществления полезной модели генератором прямоугольных импульсов 6 является дополнительная вторичная обмотка силового трансформатора преобразователя напряжения 9, управляющая развязывающим трансформатором 3.
Предлагаемое устройство обратной связи с трансформаторной развязкой изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования и не требует регулировки, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.