ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В
ПОСТОЯННОЕ.
Устройство относится к области электротехники и может быть использовано во вторичных источниках питания.
Известно устройство преобразования постоянного напряжения в постоянное, описанное в авторском свидетельстве СССР .№1513580 по МКИ4 НО2МЗ/335 за 1989г., содержащее ключевой элемент, при открытии которого в индуктивном элементе накапливают энергию, а затем при закрытии которого - передают накопленную энергию в нагрузку через выпрямитель.
Недостатками известного устройства являются относительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) и относительно большие электромагнитные помехи, возникающие при переключении ключевого элемента.
Известно наиболее близкое по технической сущности к заявленному преобразователю устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР JVe 1288846 по МКИ4 НО2МЗ/335 за 1987г.
Устройство содержит первый ключевой элемент, трансформатор, снабженный дополнительными обмотками, выпрямительный диод, конденсатор фильтра, выводы для подключения нагрузки, второй диод, первый формирователь, первый элемент И, датчик тока и второй конденсатор, вывод для подключения к источнику управляющего сигнала, причем один вывод первичной обмотки трансформатора соединен с плюсовой щиной источника питания через датчик тока, другой вывод первичной обмотки трансформатора соединен со входом первого ключевого элемента и с катодом второго диода, анод которого соединен с минусовой шиной источника питания и выходом первого ключевого элемента, вывод управления которого соединен с выходом первого формирователя, вход которого соединен с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с началом первой дополнительной обмотки трансформатора, конец которой соединен с минусовой щиной источника питания, один вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого соединен с первым выводом конденсатора фильтра и первым выводом для подключения нагрузки, второй вывод конденсатора фильтра и второй вывод для подключений нагрузки соединены с другим выводом вторичной обмотки трансформатора.
Недостатками известного устройства являются относительно низкий КПД и относительно большие помехи, возникающие при динамической работе ключевого элемента, который при коэффициенте заполнения импульсов менее 0,5 включается, выключается при ненулевых напряжениях и токах ключевого элемента и трансформатора.
Целью полезной модели является устранение указанных выше недостатков, т.е. - новышение КПД и снижение помех при преобразовании постоянного напряжения.
Указанная цель достигается тем, что в устройство преобразования постоянного напряжения в постоянное, содержащее первый ключевой элемент, трансформатор, снабженный дополнительными обмотками, выпрямительный диод, конденсатор фильтра, выводы для подключения нагрузки, второй диод, первый формирователь, первый элемент И, датчик тока и второй конденсатор, вывод для подключения к источнику управляющего сигнала, причем один вывод первичной обмотки трансформатора соединен с плюсовой щиной источника питания через датчик тока, другой вывод первичной обмотки трансформатора соединен с входом первого ключевого элемента и катодом второго диода, анод которого соединен с минусовой шиной источника питания и выходом первого ключевого элемента, вывод управления которого соединен с выходом первого формирователя, вход которого соединен с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с началом первой дополнительной обмотки трансформатора, конец которой соединен с минусовой шиной источника питания, один вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого соединен с первым выводом конденсатора фильтра и первым выводом для подключения нагрузки, второй вывод конденсатора фильтра и второй вывод для подключений нагрузки соединены с другим выводом вторичной обмотки трансформатора, введены второй элемент И, второй формирователь, второй ключевой элемент, третий конденсатор, третий диод и элемент НЕ, причем плюсовая шина источника питания соединена с первым выводом второго конденсатора, второй выход датчика тока соединен с вторым входом первого элемента И, третий вход которого соединен с выводом для подключения к источнику управляющего сигнала, выход элемента НЕ соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с концом второй дополнительной обмотки трансформатора, начало которой соединено с входом первого ключевого элемента и с выходом второго ключевого элемента, вход которого соединен со вторым выводом второго конденсатора, первым выводом третьего конденсатора и катодом третьего диода, анод которого соединен со вторым выводом третьего конденсатора и с выходом второго ключевого элемента, управляющий вход которого соединен с выходом второго формирователя, вход которого соединен с выходом второго элемента И, при этом вход элемента НЕ подключен к плюсовой шине источника питания.
Технический результат заявленного устройства состоит в повышении КПД преобразования постоянного напряжения и в снижении электромагнитных помех возникающих при работе устройства с коэффициентом заполнения импульсов менее 0,5. Как показали экспериментальные исследования, проведенные автором, по сравнению с известными аналогами и прототипом.
дс)
КПД удается повышать на 7-10%. Соответственно этому снижаются электромагнитные номехи.
На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема примера преобразователя постоянного напряжения в постоянное, реализующего заявленное выше устройство, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу, где:
иси 1 - напряжение на выводах сток-исток ключевого элемента 1;
ic 1 - ток стока элемента 1;
iL2 - ток через первичную обмотку трансформатора 2.
Устройство преобразования постоянного напряжения в постоянное содержит ключевой элемент 1, трансформатор 2 с первргчной обмоткой 2.1. вторичной обмоткой 2.2, дополнительными обмотками 2.3 и 2.4, выпрямительный диод 3, конденсатор 4 фильтра, выводы для подключения нагрузки 5, второй диод 6, формирователь 7, элемент 8 И, датчик 9 тока, второй конденсатор 10, второй элемент 11 И, второй формирователь 12, второй ключевой элемент 13, третий конденсатор 14, третий диод 15, вывод для подключения к источнику управляющего сигнала 16 и элемент НЕ 17.
Дополнительная обмотка 2.3 выполняет функции датчика полярности напряжения первичной обмотки 2.1 трансформатора, соответственно датчик тока 9 выполняет функции датчика полярности тока первичной обмотки 2.1 трансформатора 2.
Начала всех обмоток на фиг. 1 обозначены точкой. Шины источника питания обозначены: плюсовая +Е, минусовая -Е.
Один вывод первичной обмотки 2.1 трансформатора соединен с плюсовой шиной источника питания +Е через датчик тока 9, другой вывод первичной обмотки 2.1 трансформатора соединен со входом первого ключевого элемента 1 и с катодом второго диода 6, анод которого соединен с минусовой шиной источника питания -Е и выходом первого ключевого эле.мента 1, вывод управления которого соединен с выходом первого формирователя 7. вход которого соединен с выходом первого элемента И 8, первый вход которого соединен с началом первой дополнительной обмотки 2.3 трансформатора, конец которой соединен с минусовой шиной источника питания -Е, один вывод вторичной обмотки 2.2 трансформатора соедршен с анодом выпрямительного диода 3, катод которого соединен с первым выводом конденсатора фильтра 4 и первым выводом для подключения нагрузки 5, второй вывод конденсатора фильтра и второй вывод для подключений нагрузки соединены с другим выводом вторичной обмотки 2.2 трансформатора, плюсовая шина источника питания +Е соединена с первым выводом второго конденсатора 10, второй выход датчика тока 9 соединен с вторым входом первого элемента И 8, третий вход которого соединен с выводом для подключения к источнику управляющего сигнала 16, выход элемента НЕ 17 соединен с первым входом второго элемента И 11, второй вход которого соединен с концом второй дополнительной обмотки 2.4 трансформатора, начало которой соединено с входом первого ключевого элемента 1 и выходом второго ключевого элемента 13, вход которого
соединен со вторым выводом второго конденсатора 10, первым вь водом третьего конденсатора 14 и катодом третьего диода 15, анод которого соединен со вторым выводом третьего конденсатора 14и с выходом второго ключевого элемента 13, управляющий вход которого соединен с выходом второго формирователя 12, вход которого соединен с выходом второго элемента ИИ, вход элемента НЕ 17 подключен к плюсовой шине источника питания.
В качестве ключевых элементов 1 и 13 могут быть использованы различные управляемые элементы, удовлетворяющие требуемым электрическим и другим техническим параметрам, например, управляемые тиристоры, транзисторы и т.п. В примере использованы (см. фиг. 1) в качестве ключевых элементов 1 и 13 энергоэкономичные полевые транзисторы, позво.11яющие получить наивысший эффект технического результата. В этом случае в качестве входа, выхода и управляющего входа ключевых элементов 1 и 13 используются соответственно сток, исток и затвор полевых транзисторов.
В качестве датчика тока 9 могут быть также использованы различные схемотехнические решения: трансформаторы тока, нелинейные элементы, обычные резисторы и т.п. В примере (см. фиг.1) использовано близкое к оптимальному схемотехническое решение по построению датчика тока 9 с использованием трансформатора тока с первичной обмоткой 9.1, через которую первичная обмотка 2.1 трансформатора 2 соединена с плюсовой шиной источника питания, и вторичной обмоткой 9.2 с резисторным шунтом 9.4, обеспечивающих смещение на транзисторе 9.3 с коллекторным нагрузочным резистором 9.5, причем точка коллектора транзистора 9.3 является вторым выходом датчика 9 тока.
Все другие элементы устройства являются стандартными и широко используемыми в промышленности.
Устройство работает следующим образом.
На шины +Е, -Б подают входное напряжение. С помощью сигналов трех обратных связей, поступающих из резонансного контура (элемент 2,9,10,14 и др.) и вывода для подключения к источнику управ.ляющего сигнала на соответствующие входы элемента 8 И и далее через формирователь 7 на управляющий вход ключевого элемента 1, формируют периодический отпирающий и запирающий этот элемент управляющий сигнал. При открытом ключевом элементе 1 с помощью протекающих через этот элемент и обмотку 2.1 на интервале времени tl -t2 токов id и iL2 (см. фиг.2) накапливают в указанной обмотке до заданного значения индуктивную энергию. В момент времени 12 источником управляющего сигнала 16 через элементы 8 и 7 на управляющем входе элемента 1 формируют запирающий управляющий сигнал (см. на фиг.2 Вх 3 эл. 8). В результате закрывают ключевой элемент 1, обрывают ток id и на интервале времени t4-t5 передают полностью накопленную энергию из обмотки 2.1 через обмотку 2.2, выпрямитель (диод 3) и фильтр (конденсатор 4) в нагрузку. При этом отпирающ 1й управляющий сигнал на ключевом элементе 1 задерживают
тем, что блокируют его формирование с помощью другой обратной связи, передающей от коллектора транзистора 9.3 на интервале времени t5-t8 на второй вход элемента 8 И, запрещающий управляющий сигнал. Тем же целям при более качественном управлении служит и третья обратная связь, действующая через вторую вторичную обмотку 2.3 на первом входе элемента 8 И.
После полной отдачи энергии из обмотки 2.1 в нагрузку в момент времени t6 скачкообразно уменьщают результирующую емкость резонансного контура (см. на фиг.2 эпюру Ср) путем разблокироваьшя конденсатора 14 закрывающимся ключевым элементом 13 при снизившимся напряжении на обмотке 2.4, что обеспечивает запирание элемента 13 через элементы 11 и 12. Тем же целям при более качественном управлении служит элемент НЕ 17, который входом подключен к первичной обмотке 2.1. При этом конденсаторы 14 и 10 соединяются в последовательную цепь. В момент времени 13 скачком восстанавливают результирующую емкость путем исключения из работы конденсатора 14 открывшимся диодом 15.
После подачи входного напряжения устройство оказывается в случайной фазе динамического процесса. Пусть для определенности оно оказалось в состоянии момента tl, когда на управляющем входе юпочевого элемента 1 (на затворе полевого транзистора) присутствует отпирающий его потенциал, чему соответствует совпадение логических уровней на всех трех входах элемента 8 И (см. фиг.2).
При открытом ключевом элементе 1 напряжение на его выводах стокисток (Иси1 на фиг.2) мало, а токи стока (id) и обмотки 2.1 (iL2) нарастают по линейному закону (см. интервал tl-t2 на фиг.2).
В момент времени t2 с вывода для подк.шочения источника управляющего сигнала 16 поступает запрещающий логический уровень (логический ноль). При этом, несмотря на уровень логических единиц на двух других входах элемента 8 И (от обмотки 2.3 и от коллектора транзистора 9.3), ключевой элемент 1 закрывается.
С этого момента ток iL2 идет по цепи: обмотка 2.1 - диод 15 - конденсатор 10 - обмотка 9.1.
В момент времени t4 открывается диод 3 выпрямителя и энергия из обмотки 2.1 через обмотку 2.2 на интервале времени t4-t5 полностью передается в нагрузку и конденсатор 4 фильтра.
На интервале времени t3-t6 за счет наведенного напряжения в обмотке 2.4 через элементы 11 и 12 открывается второй ключевой элемент 13, через который разряжается конденсатор 10 на обмотку 2.1 трансформатора 2, начиная с момента t5 после полной отдачи энергии из обмотки 2.1 в нагрузку.
Начиная с момента времени t5 на коллекторе открытого транзистора 9,3 формируется запрещающий (уровень логического нуля) сигнал, запрещающий отпирание ключевого элемента 1.
элементы 11 и 12 ключевой элемент 13 запирается, разблокируя конденсатор 14, в результате чего результирующая емкость резонансного контура скачком уменьшается (конденсаторы 10 и 14 соединяются последовательно).
Далее на интервале времени t6-t7 ток, продолжая течь в ту же сторону, заряжает уменьшенную емкость резонансного контура. В момент времени tV напряжение иси1 станет равным нулю и далее до момента времени t8 будет отрицательным за счет падения напряжения на открытом диоде 6. В момент времени t8 ток через обмотку 2.1 станет равным нулю, после чего прекратится запрет с коллектора транзистора 9.3 и вновь откроется ключевой элемент 1 и описанный выше пресс работы повториться.
Положительный эффект заявленного устройства состоит в повышении КПД преобразования напряжения при уменьшении электромагнитных помех. Это достигается за счет включения и выключения ключевого элемента 1 при нулевом напряжении Ucnl.
Автор: . Гончаров.