УСТРОЙСТВО ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ ДЛЯ ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ВТОРИЧНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при разработке источников вторичного питания с гальванической развязкой входной и выходной цепей.
Известен многоканальный источник питания для измерителя угловой скорости волоконно-оптического [Патент РФ №2115211 «Многоканальный источник питания для измерителя угловой скорости волоконно-оптического», опубл. 01.07.1998 г.] который содержит обратноходовый преобразователь на базе силового трансформатора, интегральных микросборок серии 286ЕП3, выпрямительных диодов и сглаживающих конденсаторов фильтров разнополярных выходных каналов, а также блок запуска и схему управления, состоящую из генератора симметричного треугольного напряжения, источника опорного напряжения, узла сравнения, компаратора и предусилителя. Стабилизация напряжения выходных каналов осуществляется путем стабилизации напряжения на одной из вторичных обмоток (измерительная обмотка) силового трансформатора.
Недостатком стабилизации выходного напряжения по напряжению измерительной обмотки трансформатора является то, что это способ не учитывает временных, температурных и прочих уходов параметров элементов в цепи обратной связи, элементы вторичной цепи не охвачены контуром обратной связи, поэтому при повышении нагрузки происходит проседание выходного напряжения. Кроме того возникают сложности стабилизации напряжения при малых нагрузках.
Известен однотактный обратноходовый источник питания [Патент РФ №2297089 «Однотактный обратноходовый преобразователь постоянного напряжения.», БИМП №10, опубл. 10.04.2007 г.], выполненный по схеме однотактного преобразователя с обратным включением выпрямительного диода и трансформаторным разделением сетей питания и нагрузки, в котором гальваническая развязка сигнала обратной связи реализована при помощи вспомогательного электронного ключа, развязывающего трансформатора и однотактного фильтра-выпрямителя. Первичная обмотка развязывающего трансформатора, зашунтированная размагничивающим элементом, подключена через вспомогательный электронный ключ к выходным выводам преобразователя, вторичная обмотка подключена через дополнительный однотактный фильтр-выпрямитель к входу обратной связи схемы управления. Управляющий вход вспомогательного электронного ключа подключен к дополнительной вторичной обмотке силового трансформатора, таким образом, что синхронно с замыканием силового ключа преобразователя происходит замыкание вспомогательного электронного ключа и текущее напряжение на выходе преобразователя через развязывающий трансформатор и однотактный фильтр-выпрямитель передается на вход обратной связи схемы управления. После размыкания силового ключа вспомогательный ключ также размыкается, а информация о выходном напряжении запоминается на выходе фильтра выпрямителя.
В указанной схеме присутствует дискретизация передачи напряжения по амплитуде кратная частоте работы преобразователя, что ведет к дополнительному фазовому отставанию сигнала обратной связи и не позволяет получить более высоких динамических показателей источника питания. Указанные негативные особенности являются недостатком устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство гальванической развязки, применяемое в силовом преобразователе с магнитно-связанным управлением [Патент США №6208531 «Power converter having magnetically coupled control.», опубл. 2001 г.], которое содержит магнитно-связанные первичную и вторичную часть, вторичная часть содержит обмотку, подключенную к изолированной задающей схеме, состоящей из высокочастотного амплитудного модулятора, частота которого задается собственной индуктивностью обмотки и суммой внутренней и паразитной емкости цепи модулятора, амплитуда напряжения на обмотке генератора изменяется током входного сигнала. Первичная часть состоит из обмотки и привязанной к общей точке изолированного детектора, выходной сигнал тока изменяется в зависимости от напряжения, детектируемого на обмотке. Изолированный детектор состоит из высокочастотного NPN транзистора, включенного по схеме с общей базой, и, подключенного эмиттером к обмотке, коллектор транзистора подключен к высокочастотному фильтрующему конденсатору и первому выводу резистора, вторым выводом резистор подключен к задающему выводу токового зеркала. Высокочастотный транзистор выполняет роль выпрямителя, а емкость и резистор выполняет роль фильтра нижних частот. Первым выходным выводом токовое зеркало подключено к базе высокочастотного NPN транзистора, а второй вывод токового зеркала является выходом детектора. Между базой высокочастотного NPN транзистора и общей точкой детектора подключен транзистор, база и коллектор, которого закорочены, а эмиттер подключен к общей точке. Транзистор выполняет роль компенсатора падения напряжения на высокочастотном NPN транзисторе в зависимости от изменения дестабилизирующих факторов.
Недостатком прототипа является потенциальная ненадежность схемы высокочастотного модулятора, модулятор включает в себя два высокочастотных транзистора, эмиттеры которых объединены и образуют дифференциальный усилитель, в случае значительного различия падения на база-эмиттерном переходе, вследствие дестабилизирующих факторов, высокочастотная модуляция не возникает и модулятор не работает. Кроме того устройство гальванической развязки содержит большое количество активных элементов, что также снижает ее надежность.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности устройства гальванической развязки для цепи обратной связи вторичного источника питания.
Технический результат достигается изменением связей в схеме модулятора и демодулятора устройства гальванической развязки и уменьшением количества активных элементов.
Сущность полезной модели и возможность ее осуществления поясняется принципиальной схемой устройства гальванической развязки, представленной на фиг.
Устройство гальванической развязки для цепи обратной связи вторичного источника питания (фиг.) содержит модулятор 1, демодулятор 2 и сигнальный трансформатор 3, модулятор 1 включает в себя управляемый высокочастотный генератор 4 и цепь управления 5. Управляемый высокочастотный генератор 4 состоит из высокочастотного n-p-n транзистора 6, резонансной емкости 7 состоящей из двух последовательно включенных конденсаторов 8 и 9, подключенных общими выводами к эмиттеру высокочастотного n-p-n транзистора 6, а противоположными выводами к шине питания 10 модулятора 1 и коллектору высокочастотного n-p-n транзистора 6, соответственно и резистивного делителя, состоящего из двух последовательно включенных резисторов 11, 12. Общими выводами резисторы 11 и 12 подключены к базе высокочастотного n-p-n транзистора 6, а противоположными к шине питания 10 модулятора 1 и общей шине 13 модулятора 1 соответственно. Коллектор высокочастотного n-p-n транзистора 6 через вторичную обмотку 14 сигнального трансформатора 3 подключен к шине питания 10 модулятора 1. Цепь управления 5 модулятора 1 включает в себя два n-p-n транзистора 15 и 16, включенных по схеме токового зеркала, вывод токового зеркала, образованный эмиттерами транзисторов 15 и 16 подключен к общей шине 10 модулятора 1. Коллектор транзистора 15 подключен к эмиттеру высокочастотного n-p-n транзистора 6, а закороченными выводами базы и коллектора транзистора 16, образует вывод управления 17.
Демодулятор 2 включает в себя детектор 18 и токовое зеркало 19. Детектор 18 состоит из высокочастотного n-p-n транзистора 20, подключенного эмиттером через резистор 21 и первую обмотку 22 сигнального трансформатора 3 к общей шине 23 демодулятора 2, высокочастотной фильтрующей емкости 24, подключенная первым выводом к коллектору высокочастотного n-p-n транзистора 20, а вторым выводом к общей шине 23 демодулятора 2, и n-p-n транзистора 25, подключенного коллектором к базе высокочастотного транзистора, а эмиттером к общей шине 23 демодулятора 2, коллектор и база n-p-n транзистора 25 закорочены. Токовое зеркало 19 состоит из двух p-n-p транзисторов 26 и 27 соответственно и резистора 28, подключенного первым выводом, к объединенной базе и коллектору p-n-p транзистора 27 и базе p-n-p транзистора 26, а вторым выводом к коллектору высокочастотного n-p-n транзистора 20. Коллектор p-n-p транзистора 26 подключен к коллектору n-p-n транзистора 27, а эмиттерами p-n-p транзистора подключены к шине питания 29 демодулятора 2. Выходной вывод 30 демодулятора подключен к коллектору высокочастотного n-p-n транзистора 20.
Устройство гальванической развязки для цепи обратной связи вторичного источника питания работает следующим образом. При появлении напряжения питания на шине питания 10 модулятора 1 и общей шине 13 модулятора 1, управляемый высокочастотный генератор 4 возбуждается и на вторичной обмотке 14 сигнального трансформатора 3 возникают незатухающие гармонические колебания с частотой примерно равной 30 МГц. Управляемый высокочастотный генератор 4 представляет собой трехточечный генератор, работа которого описана в [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1983. - 512 с.]. Амплитудная модуляция входного сигнала, поступающего на вывод управления 17, на выходе модулятора 4, производится за счет схемы управления, реализованной на транзисторах 15, 16, подключенных в эмиттерную цепь высокочастотного n-p-n транзистора 6. Изменение тока через вывод управления 17 приводит к изменению тока эмиттера высокочастотного n-p-n транзистора 6, что изменяет амплитуду напряжения в резонансной цепи управляемого генератора 4.
Демодулятор работает следующим образом. В первоначальный момент высокочастотная фильтрующая емкость 24 заряжена до максимального значения близкого к напряжению питания демодулятора 2. При появлении высокочастотного модулированного сигнала на первичной обмотке 22 сигнального трансформатора 3 на отрицательных полуволнах напряжения через высокочастотный n-p-n транзистор 20 и резистор 21 начинает протекать ток, разряжая высокочастотную фильтрующую емкость 24. Подзарядка высокочастотной фильтрующей емкости 24 производится током через резистор 28, транзистор 27. В силу того, что транзисторы 26 и 27 включены по схеме токового зеркала, через транзистор 26 начинает протекать ток, равный по значению току транзистора 27. Ток транзистора 26 протекает через транзистор 25, обеспечивая падение напряжения на его база-эмиттерном переходе. Падение напряжения на база-эмиттерном переходе транзистора 25 компенсирует падение напряжения на база-эмиттерном переходе транзистора 20, что минимизирует температурную зависимость коэффициента передачи устройства гальванической развязки. Все транзисторы этой схемы работают в активном режиме, поэтому достигается максимальное быстродействие работы модулятора и демодулятора. В силу того, что модулятор-демодулятор работают на высоких частотах, значение емкости конденсатора 24, сглаживающего напряжение при разряде током через транзистор 20, можно выбрать небольшим, что позволяет получить высокие динамические показатели устройства гальванической развязки.