ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области преобразования и распределения электроэнергии, в частности к преобразователям постоянного низкого напряжения в постоянное высокое напряжение, и может быть использовано в дозиметрической аппаратуре.
Известен преобразователь напряжения, используемый в приборе ДКС-04, который содержит блокинг-генератор, умножитель напряжения и схему управления [1]. Преобразователь может работать в двух режимах мощности. При отсутствии излучения, т.е. без нагрузки, данный преобразователь работает на пониженной частоте, а при воздействии излучения - на повышенной.
К недостаткам этого устройства относится следующее. Ток, потребляемый преобразователем без нагрузки, составляет около 1 мА, что существенно снижает его коэффициент полезного действия (КПД). При наличии нагрузки, вызываемой воздействием излучения, КПД преобразователя также низкий, так как после каждого срабатывания газоразрядного счетчика преобразователь работает на полную мощность в течение 60 мс и за это время потребляет энергии от батареи гораздо больше, чем расходуется газоразрядным счетчиком при одном срабатывании.
Известен также преобразователь напряжения, используемый в приборе ИМД-1, который содержит блокинг-генератор, умножитель напряжения, стабилитрон, усилитель тока и управляющий транзистор [2].
Недостатком этого устройства является то, что мощность, рассеиваемая на постоянно открытом стабилитроне, уменьшает КПД преобразователя, особенно при малых полезных токах нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является преобразователь напряжения, описанный в патенте RU №2457601, который содержит блокинг-генератор, диодный выпрямитель напряжения, стабилитрон, два транзисторных ключа, охваченных положительной обратной связью, и резистор положительного смещения.
Принципиальная электрическая схема устройства-прототипа показана на фигуре 1.
Недостатком устройства-прототипа является то, что во время паузы блокинг-генератора через стабилитрон течет некоторый ток, который обуславливает отрицательное смещение на транзисторных ключах и тем самым поддерживает выключенное состояние блокинг-генератора. Ввиду того, что напряжение на стабилитроне составляет величину порядка 400 вольт, результирующая электрическая мощность, рассеиваемая на стабилитроне уменьшает КПД преобразователя.
Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в увеличении КПД преобразователя напряжения.
Указанный технический результат достигается тем, что в преобразователь напряжения, содержащий блокинг-генератор на силовом транзисторе и трансформаторе с первичной, управляющей и выходной обмотками, два транзисторных ключа, стабилитрон с ограничительным резистором, выпрямительный диод, выходную емкость, резистор прямого смещения, введены усилитель тока на транзисторе, времязадающая цепь, состоящая из резистора и конденсатора, введены третий транзисторный ключ и запирающий диод, причем стабилитрон с ограничительным резистором включены между выходной обмоткой трансформатора и базой усилителя тока, эмиттер которого соединен с шиной питания, времязадающий конденсатор включен между шиной питания и коллектором усилителя тока, времязадающий резистор включен между времязадающим конденсатором и базой третьего ключа, эмиттер которого соединен с общей шиной, а коллектор - с базой второго ключа, запирающий диод включен между управляющей обмоткой и базой второго ключа.
Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 2 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя напряжения.
Преобразователь напряжения состоит из блокинг-генератора, собранного на силовом транзисторе 1 и трансформаторе 2 с первичной, управляющей и выходной обмотками, первого транзисторного ключа 3 с коллекторным резистором 4, второго транзисторного ключа 5 с коллекторным резистором 6, резистора положительной обратной связи 7, резистора прямого смещения 8, выпрямительного диода 9, выходного конденсатора 10, стабилитрона 11 с ограничительным резистором 12, усилителя тока 13, времязадающей цепи, содержащей конденсатор 14 и резистор 15, третьего транзисторного ключа 16 и запирающего диода 17.
Преобразователь напряжения работает следующим образом. При включении питания все транзисторы схемы находятся в режиме отсечки. На базу транзисторного ключа 5 подается малый открывающий ток через большое сопротивление резистора прямого смещения 8 (порядка 100 МОм). Усиленный коллекторный ток транзисторного ключа 5 через резистор 6 поступает на базу транзисторного ключа 3 и частично его приоткрывает. Величина коллекторного тока транзисторного ключа 3 вначале недостаточна для возбуждения блокинг-генератора, однако создает некоторое падение напряжения на резисторе 4, которое через резистор положительной обратной связи 7 увеличивает прямое смещение на базе транзисторного ключа 5, в результате чего базовый, а следовательно и коллекторный токи последнего увеличиваются. Это приводит к дальнейшему открыванию транзисторного ключа 3, и далее процесс происходит лавинообразно до полного открывания транзисторных ключей 3 и 5.
Блокинг-генератор возбуждается, и высоковольтный импульс с выходной обмотки трансформатора через диод 9 передает порцию электрического заряда на выходной конденсатор 10.
Одновременно с этим отрицательный импульс с управляющей обмотки трансформатора переводит транзисторные ключи 3 и 5 в режим отсечки, и блокинг-генератор выключается. После того, когда цепи всей схемы будут обесточены, через резистор 8 подается положительное смещение на базу транзисторного ключа 5, который постепенно открывается сам и открывает транзисторный ключ 3. Благодаря положительной обратной связи через резисторы 6 и 7 процесс открывания в завершающей стадии имеет лавинообразный характер. Блокинг-генератор повторно запускается и заряжает конденсатор 10 новой порцией заряда. Процесс повторяется до тех пор, пока напряжение на ней не достигнет уровня открывания стабилитрона 11, после чего очередной выходной импульс блокинг-генератора открывает стабилитрон 11 и импульс тока через резистор 12 проходит на базу усилителя тока 13. Коллекторный ток последнего заряжает конденсатор 14 до напряжения, обуславливающего открывание транзисторного ключа 16 током в базу через резистор 15. Открытый транзисторный ключ 16 шунтирует резистор прямого смещения 8 и тем самым удерживает транзисторные ключи 3 и 5 в режиме отсечки, а блокинг-генератор в выключенном состоянии. Длительность такого состояния (паузы) будет определяться постоянной времени RC-цепи, образованной резистором 15 и конденсатором 14, а также величиной начального заряда или напряжения на конденсаторе 14. После разряда RC-цепи (14, 15) транзисторный ключ 16 закрывается, на базу транзисторного ключа 5 подается положительное смещение через резистор 8, транзисторные ключи 3 и 5 открываются и блокинг-генератор вновь запускается.
После срабатывания блокинг-генератора все управляющие цепи закрываются, времязадающий конденсатор 14 заряжается, и наступает очередная пауза в работе блокинг-генератора. Таким образом, напряжение на выходной клемме поддерживается на уровне открывания стабилитрона 11. Элементы схемы подобраны так, что если конденсатор 10 не разряжается во внешнюю цепь, то пауза в работе блокинг-генератора составляет несколько десятков секунд. При наличии некоторой внешней нагрузки выходной конденсатор 10 во время паузы разрядится на некоторую величину, очередной импульс блокинг-генератора будет иметь меньшую амплитуду и заряд конденсатора 14 пройдет также до меньшего напряжения. Это приведет к тому, что пауза, задаваемая RC-цепью (14, 15), будет сокращена и блокинг-генератор включится быстрее. В результате более высокая частота срабатывания блокинг-генератора будет компенсировать разряд конденсатора 10 и напряжение на нем будет сохраняться практически на одном уровне.
В результате такой работы схемы напряжение на выходе устройства пульсирует около уровня открывания стабилитрона. При увеличении тока внешней нагрузки частота срабатывания блокинг-генератора соответственно увеличивается.
Предложенный преобразователь напряжения по сравнению с прототипом потребляет меньший ток. Это объясняется следующим.
В устройстве-прототипе стабилитрон находится в постоянно открытом состоянии, и ток, протекающий через него, должен быть достаточен для поддержания обратного смещения на базе второго ключа, что составляет доли микроампер, но так как этот ток вызван большим выходным напряжением, то результирующая мощность, рассеиваемая стабилитроном, приводит к потребляемому току батареи в десятки микроампер. В результате этого при использовании устройства-прототипа в переносной дозиметрической аппаратуре он потребляет существенный ток даже в отсутствие радиоактивного излучения и значительно сокращает ресурс работы приборов с одним комплектом батарей.
В предлагаемом преобразователе напряжения стабилитрон во время паузы полностью обесточен, а сама пауза во много раз увеличена по сравнению с устройством-прототипом благодаря введенной времязадающей RC-цепи.
В результате проведенных испытаний установлено, что потребляемый предлагаемым преобразователем ток в отсутствие нагрузки составляет около 1,0 мкА и его использование для питания газоразрядных счетчиков Гейгера-Мюллера дает возможность обеспечить режим непрерывной работы дозиметра в течение многих месяцев от одного комплекта химических источников тока.
Источники информации
1. Дозиметр ДКС-04. Паспорт. ЖШ2.805.395 ПС - 1988 г.
2. Измеритель мощности дозы ИМД-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ЖШ1.289.199 ТО - 1982 г.
3. Патент на изобретение RU №2457601 от 14 февраля 2011 года.