СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к устройствам для обеспечения бесперебойного питания нагрузки стабилизированным постоянным напряжением.
Известно устройство [Патент Российской Федерации №2254659, 7 H02J 9/06, 2005], содержащее основной силовой преобразователь, непосредственно подключенный к нагрузке, аккумуляторную батарею с зарядным устройством, подключенную к нагрузке через тиристор с блоком управления, а также измерительный компаратор, подключенный по выходу к блоку управления, снабженный датчиком наличия питающей сети, выход которого подключен к блоку управления тиристора и контактора, нормально разомкнутые контакты которого включены параллельно тиристору, а вход измерительного компаратора подключен к аккумуляторной батарее. По сигналу датчика наличия напряжения питающей сети включается тиристор, при этом ток начинает поступать из аккумуляторной батареи в нагрузку. Тиристор находится во включенном состоянии ограниченное время, равное времени срабатывания контактора. При срабатывании контактора тиристор закорачивается его контактами и выключается, а ток продолжает поступать в нагрузку через замкнувшиеся контакты сработавшего контактора. Однако, такая схема не сможет обеспечить полное отсутствие скачков напряжения в нагрузке, и кроме того, дублирование тиристора контактором увеличивает стоимость и габариты устройства, особенно при большой мощности устройства.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является стабилизатор напряжения [Патент Российской Федерации №2165669, Н02J 7/10, 2001], содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы и диоды, сток и катод первых из которых подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, их исток и анод соединены с первым выводом дросселя и стоком и катодом вторых МДП-транзистора и диода, исток и анод которых подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, третий МДП-транзистор и диод, катод третьего диода подключены ко второму выводу дросселя, сток третьего МДП-транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора фильтра, а анод третьего диода подключен к общему проводу схемы, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи (АБ), а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения источника питания и нагрузки. Стабилизатор
напряжения предназначен, в частности, для питания автономных объектов, использующих в качестве накопителей энергии АБ. Недостатком данного устройства является возможность появления провала напряжения на нагрузке при пропадании напряжения источника питания из-за невозможности мгновенного изменения направления тока через дроссель.
Задачей изобретения является создание стабилизатора напряжения, исключающего появление провалов напряжения на нагрузке при переходе на резервное питание от АБ из-за пропадания питающего напряжения.
Поставленная задача решается тем, что в известный стабилизатор напряжения для питания автономных объектов, использующих в качестве накопителей энергии АБ, содержащий первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй диоды, катод первого диода подсоединен к первому выводу первого конденсатора фильтра, а анод соединен с первым выводом дросселя и катодом второго диода, анод второго диода подсоединен ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, третий диод, катод которого подключен ко второму выводу дросселя, а анод к общему проводу схемы, и источник питания, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения нагрузки, введены первый ключевой элемент, соединенный одним выводом с первым выводом первого конденсатора фильтра, а другим выводом с первым выводом дросселя, второй ключевой элемент, соединенный одним выводом со вторым выводом дросселя, а другим выводом с анодом второго диода, четвертый диод, анод которого соединен с катодом третьего диода, а катод с первым выводом второго конденсатора фильтра, при этом источник питания соединен с выводами первого конденсатора фильтра.
Такое построение схемы, при котором источник питания одновременно заряжает АБ и питает нагрузку, позволяет исключить провалы напряжения на нагрузке при пропадании питающего напряжения, т.к. при этом не происходит изменения направления тока через дроссель. Введенные ключевые элементы предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении напряжения АБ (Uаб) как больше, так и меньше, чем напряжение на нагрузке. Ключевые элементы могут быть как одно-, так и двунаправленными, выполненными по различной технологии, выбор которых определяется конкретными условиями применения данной схемы. Введенный диод препятствует разряду второго конденсатора фильтра на АБ в случае, когда выходное напряжение больше напряжения АБ.
На фигуре представлена схема стабилизатора напряжения.
Стабилизатор напряжения включает источник питания 1, аккумуляторную батарею 2, положительный вывод которой соединен с положительным выводом источника питания 1, а отрицательный с отрицательным выводом источника питания 1 и общим проводом схемы, первый конденсатор фильтра 3, соединенный с выводами АБ 2, первый диод 4, соединенный катодом с положительным выводом АБ 2, первый ключевой элемент 5, соединенный одним выводом с катодом первого диода 4, а другим выводом с анодом первого диода 4, второй диод 6, катодом подключенный к аноду первого диода 4, а анодом к общему проводу схемы, дроссель 7, первый вывод которого соединен с катодом второго диода 6, третий диод 8, анодом подключенный к общему проводу схемы, а катодом ко второму выводу дросселя 7, второй ключевой элемент 9, соединенный одним выводом с катодом третьего диода 8, а другим выводом с анодом третьего диода 8, четвертый диод 10, анодом соединенный с катодом третьего диода 8, второй конденсатор фильтра 11, соединенный с катодом четвертого диода 10 и общим проводом схемы, и нагрузку 12, подключенную к выводам второго конденсатора фильтра 11.
Стабилизатор работает следующим образом. Источник питания 1 выдает напряжение заряда АБ 2 и питает остальную (преобразовательную) часть схемы. В момент пропадании питающего напряжения схема энергия, необходимая для поддержания напряжения (Uнаг) на нагрузке 12, начинает поступать от АБ 2. Благодаря этому на входе преобразовательной части схемы отсутствуют резкие скачки напряжения как при пропадании, так и при появлении питающего напряжения. При этом напряжение питания может быть как больше, так и меньше напряжения на нагрузке 12.
Ключевой элемент 5, конденсатор фильтра 3, диод 6, дроссель 7 образуют понижающий ШИМ-преобразователь, обеспечивающий поддержание напряжения нагрузки 12 при Uаб>Uнаг с одновременной стабилизацией напряжения нагрузки 12, при этом ключевой элемент 9 постоянно закрыт. Во время открытого состояния ключевого элемента 5 происходит накопление энергии в дросселе 7, при этом ток течет через нагрузку 12 и подзаряжает конденсатор фильтра 11. Во время закрытого состояния ключевого элемента 5 происходит отдача энергии, накопленной в дросселе 7, в нагрузку 12 по цепи диод 6, дроссель 7, диод 10, а конденсатор фильтра 11 поддерживает напряжение на нагрузке. Стабилизация напряжения нагрузки 12 осуществляется за счет изменения соотношения времени открытого состояния ключевого элемента 5 ко времени его закрытого состояния в зависимости от напряжения на входе понижающего ШИМ-преобразователя.
Ключевой элемент 9, диод 10, дроссель 7 образуют повышающий ШИМ-преобразователь, обеспечивающий поддержание напряжения нагрузки 12 при Uaб<Uнаг с одновременной стабилизацией напряжения нагрузки 12, при этом ключевой элемент 5 постоянно открыт.Во время открытого состояния ключевого элемента 9 происходит накопление энергии в дросселе 7, при этом ток через нагрузку 12 поддерживается за счет разряда конденсатора фильтра 11. Во время закрытого состояния ключевого элемента 9 происходит отдача энергии дросселя 7 в нагрузку 12 и в конденсатор фильтра 11 по цепи АБ 2, ключевой элемент 5, дроссель 7, диод 10. Стабилизация напряжения нагрузки 12 осуществляется за счет изменения соотношения времени открытого состояния ключевого элемента 9 ко времени его закрытого состояния в зависимости от напряжения на входе повышающего ШИМ-преобразователя.
Построение входной части стабилизатора напряжения с источником питания, непосредственно заряжающим АБ, позволяет обеспечить преобразовательную часть схемы питанием без резких скачков напряжения как при пропадании, так и при появлении питающего напряжения, т.к. напряжение на АБ не может измениться скачком. Понижающий и повышающий ШИМ-преобразователи работают поочередно в зависимости от соотношения Uаб и Uнаг, обеспечивая поддержание напряжения на нагрузке в заданных пределах без резких скачков при появлении/пропадании питающего напряжения. Выбор конкретного вида введенных ключевых элементов зависит от уровня входного и выходного напряжений и сопротивления нагрузки и определяется такими факторами, как КПД устройства, мощность, стоимость, массогабаритные показатели и т.п.