НОРМАЛИЗАТОР СЕТИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении вторичных источников электропитания.
Известен ограничитель напряжения, построенный на ограничительных диодах [1]. Недостатками данного технического решения являются низкая перегрузочная способность и малые времена действия перенапряжений (микросекунды).
Перечисленные недостатки сужают функциональные возможности и область применения рассмотренного технического решения.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный ограничитель напряжения на основе понижающего импульсного стабилизатора напряжения, содержащий ключ с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, датчиком тока, выводы которого подключены между первым силовым электродом ключа и выводом входного напряжения, узел управления, один управляющий вход которого подключен к выводу выходного напряжения, второй и третий - к выводам датчика тока, а выход - к управляющему электроду ключа, входной конденсатор, включенный между выводом входного напряжения и общим проводом, диод, катод которого подключен к второму силовому электроду ключа, а анод - к общему проводу, дроссель, подключенный первым выводом к катоду диода, а вторым - к выводу выходного напряжения, выходной конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом [2]. На фиг.1 приведена функциональная схема прототипа, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы.
Для нормальной работы ограничителя напряжения его настраивают на максимальное значение тока через ключ Iкл.макс подбором номинала датчика тока ДТ, а также максимальное значение выходного напряжения Uoгp.
Ограничитель напряжения работает следующим образом. При входном напряжении Uвх≤Uoгp (tвкл≤t≤t1) в установившемся режиме и токе ключа Кл Iкл≤Iкл.макс сигналы на выходе узла управления У установлен сигнал, открывающий ключ Кл, а выходное напряжение практически равно входному. При увеличении входного напряжения сверх значения Uoгp (t1≤t≤t2) узел управления У переводит ключ Кл в импульсный режим работы с такой скважностью, чтобы выходное напряжение стабилизировалось на уровне Uoгp. При уменьшении сопротивления нагрузки в установившемся режиме ток ключа Кл может увеличиваться только до значения Iкл.макс, после чего узел управления У также переводит ключ в импульсный режим работы, что защищает его от перегрузки по току.
При уменьшении входного напряжения менее значения Uвх.мин (t3≤t≤t4) выходное напряжение ограничителя напряжения также уменьшается.
Недостатком известного технического решения является узкая область применения: только в случаях, когда во входной сети имеют место выбросы напряжения, но не провалы, что встречается крайне редко.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются первый ключ с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, датчик тока, выводы которого подключены между первым силовым электродом первого ключа и выводом входного напряжения, первый узел управления, один управляющий вход которого подключен к выводу выходного напряжения, второй и третий - к выводам датчика тока, а выход - к управляющему электроду первого ключа, входной конденсатор, включенный между выводом входного напряжения и общим проводом, диод, катод которого подключен к второму силовому электроду первого ключа, а анод - к общему проводу, дроссель, подключенный первым выводом к катоду диода, выходной конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом, второй вывод дросселя.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является увеличение функциональных возможностей, что влечет расширение области применения.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается нормализатор сети постоянного напряжения, содержащий первый ключ с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, датчик тока, выводы которого подключены между первым силовым электродом первого ключа и выводом входного напряжения, первый узел управления, один управляющий вход которого подключен к выводу выходного напряжения, второй и третий - к выводам датчика тока, а выход - к управляющему электроду первого ключа, входной конденсатор, включенный между выводом входного напряжения и общим проводом, диод, катод которого подключен к второму силовому электроду первого ключа, а анод - к общему проводу, дроссель, подключенный первым выводом к катоду диода, выходной конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом, второй вывод дросселя, причем в него введены второй и третий ключи с управляющим, первым и вторым силовыми электродами и второй узел управления, вход которого соединен с выводом выходного напряжения, а выходы - с управляющими электродами второго и третьего ключей, первые силовые электроды которых соединены с вторым выводом дросселя, второй силовой электрод второго ключа подключен к общему проводу, а второй силовой электрод третьего ключа - к выводу выходного напряжения.
Введение в устройства дополнительных элементов и новых неочевидных связей позволили значительно расширить диапазон входного напряжения, при котором выходное напряжение остается в заданной зоне, что расширяет его функциональные возможности и область применения.
Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявляемое решение 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.
На фиг.3 приведена функциональная схема предлагаемого нормализатора сети постоянного напряжения, на фиг.4 - временные диаграммы работы в разных его точках.
Предлагаемый нормализатор сети постоянного напряжения содержит входной конденсатор 1, датчик тока 2, первый узел управления 3 с первым, вторым, третьим входами и выходом, первый ключ 4 с двумя силовыми и управляющим электродами, диод 5, дроссель 6, второй ключ 7 с двумя силовыми и управляющим электродами, третий ключ 8 с двумя силовыми и управляющим электродами, второй узел управления 9 с одним входом и двумя выходами и выходной конденсатор 10.
В предлагаемом нормализаторе сети постоянного напряжения первый силовой электрод первого ключа 4 подключен через датчик тока 2 к выводу входного напряжения, а второй силовой электрод через диод 5 - к общему проводу, а через дроссель 6 - к точке соединения первых силовых электродов второго 7 и третьего 8 ключей. Второй силовой электрод второго ключа 7 соединен с общим проводом, а второй силовой электрод третьего ключа 8 - с выводом выходного напряжения. Второй узел управления 9 соединен первым и вторым своими выходами с управляющими электродами второго 7 и третьего 8 ключей соответственно, а входом - с выводом выходного напряжения. Входной конденсатор 1 подключен между выводом входного напряжения и общим проводом, а выходной конденсатор 10 - между выводом выходного напряжения и общим проводом.
Для нормальной работы нормализатора сети постоянного напряжения его настраивают на максимальное значение тока через ключ Iкл.макс подбором номинала датчика тока ДТ, а также устанавливают значение максимальное
выходного напряжения Uвых.макс для узла управления У1 и минимальное значение выходного напряжения Uвых.мин - для узла управления У2.
ВХ
Предлагаемый нормализатор сети постоянного напряжения работает следующим образом. Если входное напряжение находится в пределах Uвх.макс≤U≤Uвх.мин(tвкл≤t≤t1) первый и второй узлы управления У1 и У2 вырабатывают управляющие сигналы, при которых первый и третий ключи Кл1 и Кл3 открыты, а второй ключ Кл2 - закрыт. При этом выходное напряжение практически равно входному за вычетом незначительного падения напряжения на открытых ключах Кл1, Кл3 и датчике тока ДТ (фиг.4).
При увеличении входного напряжения сверх значения Цвых.макс на интервале времени t1≤t≤t2 первый узел управления У1 переводит первый ключ Кл1 в импульсный режим работы с такой скважностью, чтобы выходное напряжение не превышало значения Uвых.макс, т.е. предлагаемое устройство работает как импульсный преобразователь I типа (понижающий). При возврате входного напряжения в пределы Uвх.макс≤Uвх≤Uвх(t2≤t≤t3) первый и второй узлы управления У1 и У2 вновь вырабатывают управляющие сигналы, при которых первый и третий ключи Кл1 и Кл3 открыты, а второй ключ Кл2 - закрыт. Таким образом при Uвх≥Uвх.мин (на интервале времени tвкл≤t≤t3) работа прототипа и предлагаемого устройства полностью идентичны.
При уменьшении входного напряжения до значения Uпред≤Uвх≤Uвх.мин первый и второй узлы управления У1 и У2 вырабатывают управляющие сигналы, при которых первый ключи Кл1 открыт, а второй и третий ключи Кл2 и Кл3 работают в импульсном режиме открываясь и закрываясь синхронно, но противофазно (т.е. когда один из ключей открыт, другой - закрыт) так, что выходное напряжение остается не менее значения Uвых.мин. В этом режиме предлагаемое устройство работает как импульсный преобразователь II типа (повышающий) вплоть до значения Uвх=Uпред.
При перегрузке на выходе, когда мгновенное значение тока через ключ Кл1 достигает значения Iкл.макс первый узел управления У1 принудительно выключает ключ Кл1. При этом мгновенное значение токов через второй и
третий ключи Кл2 и Кл3 также не могут превысить значения Iкл.макс, что защищает их от перегрузок по току, по какой бы причине они не произошли.
Таким образом предлагаемое устройство обеспечивает заданный диапазон выходного напряжения Uвых.макс≤Uвых≤Uвых.мин при более широком диапазоне входного напряжения по сравнению с прототипом, что расширяет его функциональные возможности и область применения.
Источники, используемые при написании заявки.
1. Колосов В.А. и др. Устройство подавления сетевых помех. Описание полезной модели №13729. - БИ №13, 2000.
2. Ограничитель напряжения. Патент на полезную модель №46594, 2005 г.