ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к технике вторичных источников питания и предназначена для использования в автоматических устройствах для зарядки аккумуляторов.
Известные зарядные устройства [1] включают в себя вторичный источник питания со стабилизированным выходным напряжением и контроллер (регулятор) зарядного тока.
В качестве эффективного вторичного источника питания используется импульсный преобразователь напряжения [2].
Регулирование зарядного тока осуществляется с помощью достаточно мощного транзистора, включенного последовательно с заряжаемым аккумулятором и управляемого соответствующей схемой, одновременно контролирующей ток заряда и напряжение на аккумуляторе. При этом падение напряжения на регулирующем транзисторе и протекающий через него ток меняются в разы.
Наиболее близким к предлагаемому, является импульсный преобразователь напряжения [3], в котором из постоянного напряжения одного номинала (первичного напряжения) получается более стабильное напряжение другого номинала (вторичное напряжение). Изменение номинала напряжения осуществляется за счет коэффициента трансформации силового трансформатора, включенного первичной обмоткой в цепь первичного напряжения через последовательно соединенный электронный ключ и датчик контроля тока и подключенный вторичной обмоткой к выводу вторичного напряжения через последовательно включенные выпрямитель и второй датчик контроля тока, и за счет изменения длительности отпирающих импульсов, поступающих с большой частотой на управляющий вход электронного ключа с выхода модулятора. Частота следования отпирающих импульсов и их начало задаются генератором пилообразных импульсов, подключенным выходом к первому входу модулятора.
Момент окончания импульса определяется компаратором, подключенным выходом ко второму входу модулятора, первым входом - к выходу генератора пилообразных импульсов и вторым входом - к выходу сигнала ошибки. Вход усилителя сигнала ошибки подключен к выходу сумматора, первый вход которого через аттенюатор подключен к выходу выпрямителя, а второй вход - к выходу второго датчика контроля тока. Выход первого датчика контроля тока через пороговое устройство подключен к третьему (запирающему) входу модулятора.
Схема преобразователя питается от сервисного источника, включенного в цепь первичного напряжения. Для некоторого диапазона изменения сопротивления нагрузки выходная мощность преобразователя постоянна.
Недостатком этого устройства с точки зрения его использования для зарядки аккумуляторов является отсутствие зависимости выходных тока и напряжения от текущего состояния заряжаемого аккумулятора, которая определяется выражениями
где:
A
A
i, U - текущие значения зарядного тока и напряжения на аккумуляторе;
MAX
I - предельно допустимое значение зарядного тока;
MIN
MAX
U, U - минимально и максимально допустимые значения напряжения на аккумуляторе;
R - сопротивление в цепи заряда.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности автоматического изменения выходных тока и напряжения преобразователя в соответствии с текущим состоянием подключенного к нему аккумулятора.
ПЕРВ
ПЕРВ
ВТОР
ВТОР
ВТОР
ОП
Поставленная задача достигается тем, что в импульсный преобразователь напряжения, содержащий сервисный источник питания, подключенный входом к входной шине U силовой трансформатор, подключенный первым выводом первичной обмотки к шине U устройства, включенные последовательно с первичной обмоткой трансформатора электронный ключ и первый датчик контроля тока, выпрямитель, подключенный входом к вторичной обмотке трансформатора, аттенюатор, подключенный входом к выходу выпрямителя, широтно-импульсный модулятор, подключенный выходом к управляющему входу ключа, компаратор, подключенный выходом к первому входу модулятора, генератор пилообразных импульсов, подключенный выходом ко вторым входам модулятора и компаратора, пороговое устройство, подключенное первым входом к выходу первого датчика тока и подключенное выходом к третьему входу модулятора, усилитель сигнала ошибки, подключенный выходом к первому входу компаратора, второй датчик тока, подключенный первым входом к выходу выпрямителя, второе пороговое устройство, подключенное входом к выходу второго датчика контроля тока, и сумматор введены балластный резистор, включенный между вторым входом второго датчика контроля тока и шиной U преобразователя, третье и четвертое пороговые устройства, подключенные входами к шине U RS-триггер, подключенный счетным входом и входами R и S к выходам третьего, второго и четвертого пороговых устройств соответственно, причем второй и третий входы первого порогового устройства подключены соответственно к выходам второго датчика контроля тока и RS-триггера, первый и второй входы усилителя сигнала ошибки подключены соответственно к выходам аттенюатора и сумматора, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к выходу четвертого порогового устройства, шине U преобразователя и шине U сервисного источника питания.
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новизна», т.к. отличается от прототипа наличием новых функциональных элементов и новых связей между элементами.
Схема импульсного преобразователя с контролем выходных тока и напряжения приведена на фиг.1.
ПЕРВ
ПЕРВ
ВТОР
ОП
Преобразователь содержит сервисный источник питания 14, подключенный входом к шине U силовой трансформатор 2, подключенный первым выводом первичной обмотки к шине U устройства, включенные последовательно с первичной обмоткой трансформатора 2 электронный ключ 3 и первый датчик контроля тока 7, выпрямитель 6, подключенный входом к вторичной обмотке трансформатора 2, аттенюатор 10, подключенный входом к выходу выпрямителя 6, широтно-импульсный модулятор 4, подключенный выходом к управляющему входу ключа 3, компаратор 5, подключенный выходом к первому входу модулятора 4, генератор пилообразных импульсов 1, подключенный выходом к вторым входам модулятора 4 и компаратора 5, первое пороговое устройство 8, подключенное входом к выходу первого датчика тока 7 и подключенное выходом к третьему входу модулятора 4, усилитель сигнала ошибки 9 подключенный выходом к первому входу компаратора 5, второй датчик контроля тока 11, включенный входами между выходом выпрямителя 6 и шиной U; второе пороговое устройство 12, подключенное входом к выходу второго датчика контроля тока 11, сумматор 13, подключенный входами к выходам аттенюатора 10, второго датчика контроля тока 11 и второго порогового устройства 12, а выходом подключенный к первому входу усилителя сигнала ошибки 9, второй вход которого подключен к шине U сервисного источника питания.
Описанное выше устройство выбрано в качестве прототипа.
ПЕРВ
ВТОР
ВТОР
ВТОР
ОП
На фиг.2 представлена схема предлагаемого импульсного преобразователя напряжения, содержащего генератор пилообразных импульсов 1, силовой трансформатор 2, подключенный первым выводом первичной обмотки к входной шине U устройства, включенные последовательно с первичной обмоткой трансформатора 2 электронный ключ 3 и первый датчик контроля тока 7, выпрямитель 6, подключенный входом к вторичной обмотке трансформатора 2, аттенюатор 10, подключенный входом к выходу выпрямителя 6, широтно-импульсный модулятор 4, подключенный выходом к управляющему входу ключа 3, компаратор 5, подключенный выходом к первому входу модулятора 4, пороговое устройство 8, подключенное первым входом к выходу первого датчика тока 7 и подключенное выходом к третьему входу модулятора 4, усилитель сигнала ошибки 9, подключенный выходом к первому входу компаратора 5, второй датчик тока 11, подключенный первым входом к выходу выпрямителя 6, второе пороговое устройство 12, подключенное входом к выходу второго датчика контроля тока 11, сумматор 13, сервисный источник питания 14, балластный резистор 16, включенный между вторым входом второго датчика контроля тока 11 и шиной U преобразователя, третье 17 и четвертое 18 пороговые устройства, подключенные входами к шине U RS-триггер 15, подключенный счетным входом и входами R и S к выходам третьего 17, второго 12 и четвертого 18 пороговых устройств соответственно, причем выход генератора импульсов 1 подключен ко вторым входам модулятора 4 и компаратора 5, второй и третий входы первого порогового устройства 8 подключены соответственно к выходам второго датчика контроля тока 11 и RS-триггера 15, первый и второй входы усилителя сигнала ошибки 9 подключены соответственно к выходам аттенюатора 10 и сумматора 13, входы которого подключены соответственно к выходу четвертого порогового устройства 18, шине U и шине U.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.
ПЕРВ
ОП
СЕРВ
После подачи первичного напряжения U на выходах U и U сервисного источника питания 14 появляются напряжения, необходимые для работы схемы.
ВТОР
A
MIN
B
ПЕРВ
При подключении к шине U разряженного аккумулятора с остаточным напряжением U не менее U срабатывает пороговое устройство 17, в результате чего RS-триггер 14 и пороговое устройство 8 переводятся в состояния, разрешающие работу модулятора 4. С началом очередного импульса, появляющегося на выходе генератора пилообразных импульсов 1, модулятор 4 открывает электронный ключ 3 на время, пока уровень напряжения в пилообразном импульсе не сравняется с уровнем выходного сигнала усилителя сигнала ошибки 9, что фиксируется компаратором 5, по сигналу которого модулятор 4 закрывает электронный ключ 3. Периодическое открывание ключа 3 вызывает в первичной обмотке трансформатора 2 импульсы тока, наводящие во вторичной обмотке переменное напряжение. После выпрямителя 6 получается постоянное напряжение U, пропорциональное уровню входного напряжения U отношению числа витков во вторичной и первичной обмотках трансформатора 2 и длительности интервалов времени, в течение которых открыт электронный ключ 3.
B
Длительность этих интервалов и, следовательно, выходное напряжение U выпрямителя 6 устанавливаются такими, что разность напряжений, подаваемых на входы усилителя сигнала ошибки 9 с выходов аттенюатора 10 и сумматора 13 будет составлять достаточно малую величину, определяемую коэффициентом усиления усилителя 9, т.е.
1
K - коэффициент деления аттенюатора 10;
Σ
U - выходное напряжение сумматора 13.
Σ
2
A
ОП
В начале процесса зарядки аккумулятора U=K(U+U) и выходное напряжение выпрямителя 6 определяется выражением
.
1
2
B
A
ОП
Если обеспечить равенство коэффициентов K и K, то U≈(U·U) и зарядный ток будет определяться выражением
,
Б
где R - сопротивление балластного резистора 15.
MAX
1
MAX
MAX
По достижению напряжения на аккумуляторе уровня U - ΔU срабатывает пороговое устройство 17 и на выход сумматора 13 поступает напряжение K U выходное напряжение выпрямителя 6 становится равным U, а зарядный ток будет определяться выражением
.
MIN
Пороговое устройство 12 находится в состоянии «включено» и удерживает RS-триггер 15 в состоянии, разрешающем работу модулятора 4, пока ток заряда не снизится до некоторой минимальной величины I, после чего оно перейдет в состояние «выключено» и переведет RS-триггер 14 в состояние, запрещающее работу модулятора 4.
ОП
Б
MAX
Соответствующим выбором значений U и R можно получить на интервале времени до момента срабатывания порогового устройства 17 значение зарядного тока, равное I, а после срабатывания порогового устройства 18 получить монотонно уменьшающийся зарядный ток.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает необходимую зависимость выходных тока и напряжения от текущего состояния заряжаемого аккумулятора.
Источники информации
1. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд. 2003 г. - 224 с.: ил.
2. Головков А.В., Любицкий В.Б. Блоки питания для системных модулей типа IBM PC-XT/AT. - М.: Лад и Н. 1995 г. - 92 с.
3. ПАТЕНТ на полезную модель №78992 Импульсный преобразователь напряжения. ФГУП «ОНИИП» Авторы: Богданов А.В., Попов Ю.А., Суровцев А.В., Якубов Р.Т.