УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НАГРУЗКИ

Область техники, к которой относиться полезная модель - полезная модель относится к импульсной технике и может быть использовано, например, для питания системы электрооборудования автомобиля, систем электропитания для получения в нагрузке мощного короткого импульса между источником питания и нагрузкой включающий промежуточный индуктивный накопитель, выполняющий совместно с коммутационной аппаратурой роль «обострителя мощности». При использовании в качестве источника питания, например, батареи конденсаторов с малым внутренним сопротивлением потери энергии будут определяться лишь сопротивлением индуктивного накопителя и при большой постоянной времени последнего почти вся энергия конденсаторов может быть передана в индуктивный накопитель за один цикл разряда для последующей ее передачи в цепь нагрузки (Булатов О.Г. и др. Тиристорные схемы включения высокоинтенсивных источников света. - М.: Энергия, 1975, с.93, рис.4-41. Техническая физика, т.51, вып.6, Л.: Наука, 1981, с.1258.).
Сущность полезной модели - является повышение КПД аа счет повышения коэффициента передачи энергии.
При наличии у емкостного накопителя внутреннего сопротивления за один цикл разряда в индуктивный накопитель может быть передана только часть энергии при значительных потерях во внутреннем сопротивлении. Долю переданной в индуктивный накопитель энергии можно увеличить, а потери во внутреннем сопротивлении сократить, если передачу энергии осуществить не за один цикл, а за серию циклов сравнительно небольшими порциями, используя в качестве порционного передатчика батарею традиционных конденсаторов с малым внутреннем сопротивлением. Этот принцип и использован в предлагаемом устройстве импульсного электропитания.
На рисунке приведена структурная электрическая схема устройства.
Устройство импульсного электропитания нагрузки содержит источник 1 постоянного напряжения, первый вывод которого соединен с первым выводом первого индуктивного элемента 2, второй индуктивный элемент 3, первый вывод которого соединен с первой обкладкой конденсатора 4, первый и второй транзисторы 5 и 6, третий индуктивный элемент 7, транзисторный мост 8, в первую диагональ которого включены вторая обкладка конденсатора 4 и второй вывод второго индуктивного элемента 3, во вторую диагональ - второй вывод первого индуктивного элемента 2 и второй вывод источника 1 постоянного напряжения, между второй обкладкой конденсатора 4 и вторым выводом источника 1 постоянного напряжения включены последовательно соединенные и встречно включенные первый 5 и второй 6 транзисторы, параллельно первому из них подключен третий индуктивный элемент 7, параллельно второму транзистору 6 - нагрузка. Транзисторный мост 8 выполнен на транзисторах 10-13.
Для пояснения работы устройства изображен резистор 14, являющийся эквивалентом внутреннего сопротивления источника 1.
Процесс передачи энергии из источника 1 в индуктивный элемент 7 (накопитель) разбивается на отдельные интервалы, длительность которых определяется временем открытого состояния транзисторов 10-13 моста 8 и начинается с заряда конденсатора 4 до требуемого значения напряжения. Для этого достаточно открыть транзисторы 11 и 13 или 10 и 12.
Так как энергоемкость источника 1 несоизмеримо велика по сравнению с энергоемкостью конденсатора 4, то источник 1 можно рассматривать по отношению к конденсатору 4, как источник постоянного напряжения. С момента открытия транзисторов 11 и 13 конденсатор 4 начинает заряжаться по цепи: емкостный накопитель энергии (источник 1) внутреннее сопротивление его (резистор 14) - токоограничивающий индуктивный элемент 2 - транзистор 13 - конденсатор 11 - источник 1. Если бы отсутствовало сопротивление резистора 14, то конденсатор 4 зарядился бы током до двойного напряжения источника 1. Чем больше индуктивность элемента 2, тем меньше ток в контуре и меньше потери в сопротивлении резистора 14, тем до большего напряжения зарядится конденсатор 4. Индуктивность элемента 3 несоизмеримо мала по сравнению с индуктивностью элемента 2, поэтому она не оказывает заметного влияния на величину тока. Процесс заряда конденсатора 4 будет колебательным и в конце заряда транзисторы 11 и 13 окажутся под обратным напряжением и закроются. Далее открываются транзисторы 10 и 12 и конденсатор 4 перезаряжается до напряжения, несколько меньшего четырехкратного значения напряжения источника. Поочередным переключением моста 8 можно получить практически любое напряжение на конденсаторе 4. Важно, чтобы последним был цикл перезаряда конденсатора до напряжения с полярностью +. Многократный перезаряд конденсатора 4 экономически нецелесообразен и в большинстве случаев достаточно обеспечить однократный его заряд путем открытия транзисторов 10 и 12 при соответствующих параметрах элементов-схемы.
Будем считать, что конденсатор 4 заряжен до требуемого напряжения с полярностью, показанной на рисунке (+ слева).
Далее открываются транзисторы 11 и 6 и собираются в контур разряда конденсатора 4 по цепи: конденсатор 4 - индуктивный элемент 3 - транзистор 11 - транзистор 6 - индуктивный элемент 7 - конденсатор 4. В момент достижения током в контуре максимального значения открывается транзистор 5, образуя новый контур для замыкания тока индуктивного элемента 7. Индуктивность последнего велика по сравнению с индуктивностью элемента 3, поэтому при открытых 11, 6 и 5 ток идущий от элемента 4 спадает до нуля, а ток идущий от элемента 7 медленно уменьшается в соответствии с постоянной времени индуктивного элемента 7. Благодаря наличию индуктивного элемента 3 конденсатор 4 перезаряжается до напряжения другой полярности и транзисторы 11 и 6 закрываются. Величина напряжения на конденсаторе 4 в конце перезаряда определяется отношением величин индуктивности индуктивных элементов 3 и 7.
Следующий цикл заряда осуществляется аналогично предыдущему путем открытия транзисторов 13 и 11, а затем 10 и 12 (или только 10 и 12). Пока идет процесс заряда-перезаряда конденсатора 4, ток элемента 7 замыкается через транзистор 5. После окончания процесса заряда снова включаются транзисторы
11 и 6. Ток разряда конденсатора 4 сначала вытесняет ток из транзистора 5, а затем начинается процесс передачи второй порции энергии из конденсатора 4 в индуктивный элемент 7 (и в очень маленькую индуктивность элемента 3). В момент достижения током максимального значения снова открывается транзистор 5 и снова образуются два независимых контура для замыкания токов идущих от элементов 4 и 7. Первый спадает до нуля, а второй медленно уменьшается в соответствии с постоянной времени контура: индуктивный элемент 7 - транзистор 5. Конденсатор 4 снова перезаряжается, но уже до несколько большего напряжения, так как амплитуда тока идущего от элемента 7, а следовательно, и тока в индуктивном элементе 3 была уже при втором разряде большей, чем при первом. С каждом циклом заряда-разряда конденсатора 4 на индуктивный элемент 7 увеличивается ток в последнем, а следовательно, и запасаемая энергия. Одновременно возрастает и напряжение на конденсаторе 4 в конце его перезаряда. Начиная с определенного цикла, оно может превысить напряжение источника 1 и транзисторы 13 и 11 перестанут открываться. С этого момента следует снять управление с транзисторов 13 и 11 и заряд конденсатора 4 осуществлять только путем открытия транзисторов 10 и 12. Остановимся подробнее на роли элемента 3, так как в этом заключается одна из особенностей рассматриваемой схемы.
В процессе отбора энергии от источника 1 напряжение на нем будет уменьшаться. При отсутствии элемента 3 конденсатор 4 разряжался бы на индуктивный элемент 7 до нуля и обесточивался бы. Каждый последующий его заряд от источника 1 за один цикл осуществлялся бы до меньшего напряжения по сравнению с предыдущим из-за разряда источника 1 энергии. Чтобы сохранить величину этой порции не ниже заданного значения, необходимо увеличивать количество циклов заряд-перезаряд конденсатора 4. Последнее вызовет увеличение времени подготовки заряда конденсатора 4 к передаче энергии и, следовательно, к увеличению потерь во внутренних сопротивлениях источника 1 и элемента 7 и в коммутирующих транзисторах.
Основное назначение элемента 3 состоит в том, чтобы обеспечить перезаряд конденсатора 4 до требуемого значения напряжения, зависящего от тока элемента 7, с тем, чтобы застабилизировать напряжение в конце каждого цикла заряда. По мере отбора от источника 1 энергии, напряжение на нем снижается, однако из-за увеличения начального напряжения на конденсаторе 4, напряжение на нем в конце каждого зарядного цикла практически сохраняется неизменным. Кроме того, перезаряд конденсатора 4 необходим и для обеспечения обратного напряжения на транзисторах 11 и 6 после из обесточивания для восстановления запирающих свойств и, наконец, последнее назначение элемента 3 - снижение скорости нарастания тока и напряжения в контуре разряда конденсатора 4.
Момент достижения энергией в, индуктивном элементе 7 с максимального значения будет характерироваться прекращением прироста тока в нем от цикла циклу. Последнее свидетельствует о том, что энергии конденсатора 4 с этого момента хватает лишь на компенсацию потерь в индуктивном накопителе и коммутирующих элементах за время заряда конденсатора очередной порцией энергии.
Следующим шагом в работе схемы является реализация энергии индуктивного
элемента 7 в нагрузке. Для этого достаточно открыть лишь один транзистор 10, после чего собирается контур заряда: конденсатор 4 - индуктивный элемент 3 - транзистор 11 - нагрузка 9 - транзистор 5 - конденсатор 4. Ток разряда конденсатора 4 вытесняет ток транзистора 5, последний обесточивается и остается один контур: конденсатор 4 - индуктивный элемент 3 - транзистор 11 - нагрузка 9 - индуктивный элемент 7 - конденсатор 4. Как только конденсатор 4 полностью разрядиться, его следует исключить из работы путем открытия транзистора 12.
Ток индуктивного элемента 7 после закрытия транзистора 10 будет замыкаться транзистора 10 будет замыкаться на нагрузку через транзистор 12.
Рассмотренная схема позволяет также в любой момент замкнуть энергию индуктивного элемента 7 внутри себя. Для этого достаточно транзистор 6 или 5.