ДВУХТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть применено в составе источника вторичного электропитания, в частности в импульсном источнике напряжения или тока.
Известно устройство (по авторскому свидетельству №649108, МПК Н 02 М 3/28, 1976 г.), содержащее усилитель мощности на силовых транзисторах с выходным трансформатором, связанным с датчиком тока намагничивания, представляющим собой трансформатор тока, первичные и вторичные обмотки которого связаны соответственно с первичными и вторичными обмотками силового выходного трансформатора, а измерительная обмотка включена на нагрузочный резистор, связанный с двумя пиковыми детекторами. Оба пиковых детектора нагружены на общий резистор, средняя точка которого соединена со вторым входом сумматора, а первый вход -с выходом стабилизатора, при этом средняя точка нагрузочного резистора через аналоговый ключ замыкается на общую точку схемы. Ключ срабатывает один раз в период на время, равное полупериоду выходного напряжения.
Недостатком данного устройства является его инерционность и неспособность препятствовать подмагничиванию непосредственно в процессе его развития, поэтому при появлении подмагничивания через транзисторы инвертора протекают некоторое время экстра - токи, снижающие надежность устройства.
Наиболее близким к полезной модели является двухтактный преобразователь напряжения (по авторскому свидетельству №982161, МПК Н 02 М 3/335, 1982 г.), содержащий двухтактный усилитель мощности с выходным трансформатором, включающий в себя датчик тока намагничивания, подключенный к узлу защиты от несимметрии, выполненного в виде выпрямителя, входом подключенного к выходу датчика намагничивания, а выходом через пороговый узел - к одному из входов RS - триггера, другой вход которого подсоединен к выходу задающего генератора, а выход -к первому входу логического элемента И, второй вход которого подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, а выход -к узлу логической обработки управляющих сигналов, связанному с выходным трансформатором.
Недостаток данного устройства заключается в том, что существуют экстра - токи малой величины, протекающие через силовые транзисторы. Устройство защиты от несимметрии вступает в работу в начале процесса насыщения выходного трансформатора, при этом скорость нарастания тока намагничивания достаточно велика и величина его может существенно превышать рабочий ток нагрузки преобразователя, увеличивая при этом потери при закрывании транзисторов. Это определяет требования к транзисторам по надежности. В данной схеме невозможно добиться соотношения чувствительности и помехозащищенности, обеспечивающего отключение силовых транзисторов преобразователя до начала процесса насыщения сердечника выходного трансформатора.
В устройстве двухтактного преобразователя напряжения сложно добиться невосприимчивости порогового устройства к переходным процессам, протекающим в преобразователе, и ценой помехоустойчивости является снижение быстродействия. При невысоком быстродействии влияние на процесс насыщения сердечника выходного трансформатора происходит только в начале. При этом скорость нарастания тока намагничивания выходного трансформатора может быть велика, а с учетом времени реакции схемы и временем закрывания силовых транзисторов усилителя мощности, ток намагничивания может превышать рабочий ток преобразователя.
Так как датчик тока намагничивания стоит в общей цепи преобразователя и измеряет рабочий ток преобразователя, то он должен быть рассчитан на протекание этой величины тока. В мощных преобразователях изготовление таких датчиков тока намагничивания представляет большие трудности и предусматривает их ручное изготовление.
Цель полезной модели -исключение подмагничивания сердечника силового трансформатора, что повышает надежность и увеличивает помехозащищенность преобразователя.
Данная цель выполняется за счет того, что двухтактный преобразователь напряжения содержит двухтактный усилитель мощности с выходным трансформатором, связанным с блоком логической обработки управляющих сигналов, который соединен с задающим генератором, подключенным к широтно-
импульсному модулятору, и узлом защиты от несимметрии, вход которого подключен к выходу блока логической обработки управляющих сигналов, а выходом подсоединенного через пороговое устройство к одному из входов RS-триггера, другой вход которого подсоединен к выходу задающего генератора, а выход - к первому входу логического элемента И, выход которого подсоединен к блоку логической обработки управляющих сигналов. В данной схеме двухтактного преобразователя в узел защиты от несимметрии включена измерительная индуктивность, перемагничивающаяся согласно выходному трансформатору, и датчик тока намагничивания, подключенного к входу порогового устройства.
Устройство узла зашиты от несимметрии содержит измерительную индуктивность, которая перемагничивается по полупериодам в двухтактном преобразователе идентично выходному трансформатору.
Параметры измерительной индуктивности подобраны таким образом, что насыщение ее происходит раньше, чем насыщение выходного трансформа-тора. По достижению начала насыщения измерительной индуктивности, которое определяется по возрастанию тока намагничивания на выходе узла защиты от несимметрии, происходит отключение текущего силового транзистора преобразователя, работающего в данном полупериоде. Намагничивание сердечника выходного трансформатора и измерительной индуктивности прекращается до следующего такта, а в следующем такте намагничивание происходит в другую сторону. Параметры измерительной индуктивности определяются из расчета ее более раннего насыщения, относительно выходного трансформатора, благодаря этому можно управлять моментом опережающего воздействия схемы узла защиты от несимметрии на устройство управления двухтактным преобразователем, в соответствии с необходимой скоростью реакции устройства управления и силовых транзисторов выходного трансформатора. Данная схема двухтактного преобразователя устанавливает оптимальное соотношение между помехоустойчивостью и чувствительностью порогового устройства, увеличивая в целом помехозащищенность преобразователя.
В узле защиты от несимметрии протекает лишь малый ток, необходимый для определения начала насыщения измерительной индуктивности, поэтому схема
двухтактного преобразователя в целом обладает повышенной помехозащищенностью, определяя режим оптимальной работы преобразователя. Данное устройство может применяться в составе предоконечного усилителя мощности. Узел защиты от несимметрии может использоваться в составе управляющих интегральных микросхем. В прототипе же, через трансформатор тока узла защиты от несимметрии протекает полный рабочий и выходной ток схемы, что определяет его массогабаритные показатели и невозможность унификации для преобразователей различной мощности. На фиг.1 изображен вариант электрической схемы устройства, выполненного со средней точкой (причем устройство может быть использовано в случае мостового и полумостового преобразователя, а так же в однотактных преобразователях при работе с коэффициентом заполнения свыше 0,5 для устранения субгармонических колебаний на выходе). На фиг.2 изображены временные диаграммы напряжений в характерных точках схемы.
Силовые транзисторы 1 двухтактного статического преобразователя (фиг.1) подключены к первичным полуобмоткам 2 выходного трансформатора 3, а вторичные концы этих полуобмоток подключены к источнику питания U1. Транзисторы 1 соединены с блоком логической обработки управляющих сигналов 4. В зависимости от принятой структуры управления, схема блока логической обработки управляющих сигналов может быть различной. Например, в случае усилителя со средней точкой, аналогично изображенной схеме на фиг.1, в состав блока 4 входят триггер, две ячейки И-НЕ и предоконечный каскад. Сигнал задающего генератора 5 подается на (S) вход триггера 6 и широтно -импульсный модулятор 7, соединяющимся с другим (R) входом триггера, к которому подключается пороговый элемент 8. Выход (Q) триггера 6 подключен к одному из входов логического элемента 9, на второй вход которого подается сигнал с задающего генератора 5. Выход логического элемента 2И 9 подключен к одному из входов блока логической обработки управляющих сигналов 4, на другой вход которого подается сигнал с задающего генератора 5. Выходы блока логической обработки управляющих сигналов 4 соединены с транзисторами 1 выходного трансформатора и мостом из транзисторов 10 и 11 узла защиты от несимметрии, который содержит также и измерительную индуктивность 12. В схеме необходимо получить идентичные сигналы управления транзисторами 1 и мостом на транзисторах 10 и 11.
Целевое назначение блока 4 состоит в селекции управляющего сигнала по полупериодам и формировании выходного сигнала на предоконечный каскад усилителя мощности.
Устройство применимо и для построения однотактных преобразователей, работающих с коэффициентом заполнения свыше 0,5, для устранения субгармонических колебаний на выходе преобразователя. В таком варианте управляющие сигналы с выхода блока логической обработки управляющих сигналов 4 подаются на устройство защиты от несимметрии через элемент 2-ИЛИ и управляют силовым транзистором преобразователя.
В данном устройстве вариант узла защиты от несимметрии содержит маломощный мост на комплементарных транзисторах 10 и 11, нагруженный на измерительную индуктивность 12 и включенный через датчик тока 13. Мост на транзисторах 10 и 11 питается от источника питания U2, единого с предоконеч-ным усилителем узла 4. С целью увеличения точности работы узла защиты от несимметрии возможно питание моста от источника напряжения, величина которого пропорциональна напряжению питания U1 усилителя мощности. Выход узла защиты от несимметрии соединен с пороговым устройством 8, сигнал которого суммируется с выходным сигналом широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 7 и подается на (R) вход триггера 6.
На фиг.2. обозначено: выходное напряжение 14 задающего генератора 5;
выходное напряжение 15 (ШИМ) 7; выходное напряжение 16 датчика тока 13 намагничивания измерительной индуктивности 12; уровень 17 переключения порогового элемента 8, а кривая 18 - выходное напряжение на выходе порогового элемента 8; выходное напряжение 19 на (Q)-выходе триггера 6; выходное напряжение 20 логического элемента И 9; реальный ток намагничивания 21 сердечника выходного трансформатора 3 и порог процесса начала насыщения 22 сердечника выходного трансформатора (пунктиром показан ток при отсутствии защиты от несимметрии).
Преобразователь напряжения, работает следующим образом. Предполагается, что в схеме использован (RS) триггер с инверсным управлением. В момент прохождения обратного фронта в выходном напряжении (кривая 14) на прямом выходе (Q) триггера 6 устанавливается единичное напряжение
(кривая 19), разрешая тем самым прохождение импульсов на вход логического элемента И 9 и блока логической обработки управляющих сигналов 4. В момент появления нулевого уровня (кривая 15) на выходе широтно-импульсного модулятора 7 триггер 6 опрокидывается (кривая 19) и запрещает прохождение сигнала через логический элемент И 9 (кривая 20) на вход блока логической обработки управляющих сигналов 4, при этом отключается текущий транзистор 1, формируя нормальную длительность импульсов "Ти". Транзисторы моста 10 и 11, переключаясь противофазно относительно друг друга и синхронно с транзисторами 1 усилителя мощности, обеспечивают разнополярное перемагничивание измерительной индуктивности 12, которая работает согласно с выходным трансформатором 3. Причем в момент, когда оба плеча транзисторного моста закрыты, транзисторы 10, открываясь одновременно, закорачивают измерительную индуктивность 12, способствуя сохранению достигнутого магнитного потока в сердечнике, так что перемагничивание сердечника в следующем такте начинается с той точки на петле гистерезиса, на которой остановилось намагничивание в предыдущем такте. Параметры измерительной индуктивности 12 выбраны таким образом, чтобы ее насыщение относительно выходного трансформатора 3 наступало раньше на заданное время. Датчик тока 13 намагничивания измерительной индуктивности 12 (в данном примере -резистор) выделяет напряжение 16, пропорциональное току намагничивания измерительной индуктивности 12, поступающее на вход порогового устройства 8. В нормальном режиме работы преобразователя, при отсутствии несимметрии, напряжение 16 на датчике тока 13 не достигает уровня 17 срабатывания порогового элемента 8, поэтому на его выходе поддерживается единичное напряжение (кривая 18), не препятствующее нормальной длительности импульса "Ти". При возникновении условий несимметрии раньше начинает развиваться процесс насыщения измерительной индуктивности 12, чем процесс насыщения сердечника выходного трансформатора 3. Это приведет к возрастанию тока, протекающего через датчик тока 13, напряжение на нем в момент t1 возрастает, становится выше уровня 17 переключения порогового элемента 8 (кривая 16). На его выходе формируется нулевое напряжение 18, которое опрокидывает триггер 6, запрещая прохождение сигнала через логический элемент И 9.
Отключается текущий транзистор 1 и переключаются соответствующие транзисторы 10 или 11. Длительность импульса "Ти"' на выходе логического элемента И 9 оказывается меньше нормальной длительности Ти (кривая 20). Прекращается намагничивание сердечника выходного трансформатора 3 и измерительной индуктивности 12. Транзисторы 10 открываются, препятствуя изменению достигнутой намагниченности сердечника измерительной индуктивности 12, транзисторы 11 закрываются, прекращая протекание тока через датчик тока 13, соответственно, на входе порогового элемента 8 появляется нулевой уровень, а на его выходе формируется единичное напряжение (кривая 18) и к следующему такту работа преобразователя восстанавливается. Таким образом, сердечник выходного трансформатора 3, исходя из условий выбора параметров измерительной индуктивности 12, не достигает даже начала процесса насыщения (кривая 21), не превышая уровень кривой 22 (фиг.2), соответствующей порогу насыщения выходного трансформатора.
Устройство защиты от несимметрии вступает в работу с опережением начала процесса насыщения сердечника выходного трансформатора, поэтому через силовые транзисторы протекает только рабочий ток. Сердечник выходного трансформатора может перемагничиваться по максимально возможному циклу гистерезиса без насыщения. За счет этого снижаются требования к быстродействию схемы управления преобразователем, что повышает помехоустойчивость. Появляется возможность использования для гальванической развязки предоконечного каскада от усилителя мощности, простого развязывающего трансформатора, без принятия специальных мер. Сердечник выходного трансформатора можно выбрать с более прямоугольной петлей гистерезиса, что уменьшает потери трансформатора на перемагничивание сердечника. Полное исключение экстра токов, протекающих через силовые транзисторы преобразователя, способствует максимальной надежности преобразователя, особенно в высокомощных конструкциях преобразователей и в преобразователях с хаотически изменяющейся нагрузкой, например, сварочных преобразователях. Данная схема устройства успешно используется в течение 2 лет.