РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ПЛАВНЫМ ПУСКОМ Российский патент 2000 года по МПК H02M5/22 H02M5/257 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания потребителей электроэнергии (электроинструментов, осветительных приборов и т. д.), для которых требуется плавное повышение входного напряжения при их подключении к источнику питания. Изобретение может быть также применено для автоматического, дистанционного плавного включения потребителя.

Известен регулятор переменного напряжения с плавным пуском (1), обеспечивающий плавное уменьшение угла отпирания семистора после подключения регулятора к сети. В известном устройстве плавное повышение величины напряжения на его выходе начинается с момента подачи напряжения на его вход. При использовании известного регулятора для питания потребителей, имеющих автономный выключатель, возможно подключение нагрузки после установки на выходе регулятора номинального напряжения. В этом случае будет иметь место резкое повышение напряжения на ее входе, что в некоторых случаях может привести к выходу из строя потребителя или источника питания. Техническим результатом является возможность обеспечить плавное повышение выходного напряжения регулятора при подключении потребителей с автономным выключателем, т.е. большая универсальность и надежность.

Кроме того, в известном устройстве для развязки силовой и управляющих цепей требуется применение трансформатора, что усложняет устройство. Дополнительным техническим результатом является упрощение.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном регуляторе переменного напряжения с плавным пуском, содержащем последовательную цепь из семистора и нагрузки, подключенную к выводам для подключения сети, формирователь сигнала регулирования и плавного запуска, обеспечивающий плавное повышение напряжения на его выходе после подачи напряжения на его вход, выход которого соединен со входом управления фазосдвигающего блока, выход которого соединен со входом формирователя сигнала включения семистора, первый выходной вывод которого соединен с управляющим электродом семистора, последовательно с нагрузкой включен ключ, анод семистора соединен с первым выводом для подключения сети, формирователь сигнала включения семистора содержит первое оптоэлектронное реле и первый, второй и третий резисторы, светодиод первого оптоэлектронного реле через первый резистор подключен ко входу формирователя сигнала включения семистора, замыкающие контакты первого оптоэлектронного реле формируют последовательную цепь со вторым резистором, один вывод которой является вторым выходным выводом формирователя сигнала включения семистора и соединен с анодом семистора, а ее другой вывод соединен через третий резистор с управляющим электродом семистора, выводы третьего или второго резистора соединены со входом формирователя сигнала регулирования и плавного запуска, вход синхронизации фазосдвигающего блока соединен с выходом делителя напряжения, подключенного входом к выходу первого выпрямительного моста, соединенного входом с выводами для подключения сети.

Кроме того, формирователь сигнала регулирования и плавного запуска может содержать второй выпрямительный мост, вход которого является входом формирователя сигнала регулирования и плавного запуска, к выходу второго выпрямительного моста подключен первый конденсатор и последовательная цепь из четвертого резистора и светодиода второго оптоэлектронного реле, замыкающие контакты которого через переменный резистор соединены с общим и потенциальным выводами питания, подвижный контакт переменного резистора через последовательно соединенные пятый резистор и второй конденсатор соединен с общим выводом питания и соединенным с ним неподвижным контактом переменного резистора, при этом выводы второго конденсатора являются выходом формирователя сигнала регулирования и плавного запуска.

Фазосдвигающий блок может в частном случае выполнения содержать соединенные последовательно одновибратор с регулируемой длительностью импульса и дифференцирующий узел, при этом одновибратор содержит последовательно соединенные логический элемент И-НЕ и первый логический элемент НЕ, первый входной вывод логического элемента И-НЕ через шестой резистор и эмиттер коллекторный переход транзистора соединен с потенциальным выводом питания, второй входной вывод элемента И-НЕ и его общий вывод питания формируют вход синхронизации фазосдвигающего блока, эмиттер коллекторный переход транзистора зашунтирован включенным встречно относительно него первым диодом и седьмым резистором, между выходным выводом первого логического элемента НЕ и первым входным выводом логического элемента И-НЕ включен третий конденсатор, база транзистора и общий вывод питания являются входом управления фазосдвигающего блока, дифференцирующий узел содержит четвертый конденсатор, восьмой резистор и второй логический элемент НЕ, при этом четвертый конденсатор включен между выходным выводом первого логического элемента НЕ и входным выводом второго логического элемента НЕ, восьмой резистор включен между входным выводом второго логического элемента НЕ и общим выводом питания, выходной вывод второго логического элемента НЕ и потенциальный вывод питания формируют выход дифференцирующего узла, который является выходом фазосдвигающего блока.

Регулятор переменного напряжения может в частном случае выполнения содержать стабилизатор постоянного напряжения, выполненный в виде включенных параллельно стабилитрона и конденсатора, при этом положительный вывод стабилизатора постоянного напряжения соединен через второй диод со средним выводом делителя напряжения, формирующим с его общим выводом выход делителя напряжения, при этом общий вывод делителя напряжения соединен с отрицательным выводом стабилизатора постоянного напряжения, общие и потенциальные выводы питания формирователя сигнала регулирования и плавного запуска, фазосдвигающего блока, первого и второго логических элементов НЕ и логического элемента И-НЕ соединены с отрицательным и положительным выводами стабилизатора постоянного напряжения соответственно.

Изобретение поясняется чертежом, где изображены: первый вывод 1 и второй вывод 2 для подключения сети, один из выводов 1, 2 может, в частном случае, быть подключен через предохранитель 3, последовательная цепь из семистора 13 и нагрузки 15 с ключом 14. Анод семистора 13 соединен с выводом 1, его катод соединен с одним из выводов нагрузки 15, другой вывод которой соединен с одним из выводов ключа 14, другой вывод которого соединен через предохранитель 3 или непосредственно с выводом 2. Первый выпрямительный мост 4, вход (выводы переменного тока) которого соединен через предохранитель 3 или непосредственно с выводами 1, 2. К выходу (выводам постоянного тока) выпрямительного моста 4 подключен вход делителя напряжения из последовательно соединенных резисторов 5 и 7. Первый вывод резистора 5 соединен с положительным выводом постоянного тока моста 4, второй вывод резистора 5 соединен с первым выводом резистора 7, второй вывод которого является общим выводом делителя напряжения и соединен с отрицательным выводом постоянного тока моста 4. Первый вывод резистора 5 и второй вывод резистора 7 формируют вход делителя напряжения. Объединенные второй вывод резистора 5 и первый вывод резистора 7 формируют средний вывод делителя напряжения и вместе со вторым выводом резистора 7 формируют его выход. Средний вывод делителя напряжения соединен с анодом второго диода 6, катод которого соединен с положительным выводом стабилизатора напряжения 8 из соединенных параллельно стабилитрона 17 и конденсатора 18, отрицательный вывод которого соединен с общим выводом делителя напряжения. Фазосдвигающий блок 9 содержит одновибратор с регулируемой длительностью импульса и дифференцирующий узел. В состав одновибратора с регулируемой длительностью импульса входят: логический элемент И-НЕ 24, первый элемент НЕ 25, транзистор 19, первый диод 20, шестой и седьмой резисторы 22 и 21 и третий конденсатор 23. В состав дифференцирующего узла входят: четвертый конденсатор 26, восьмой резистор 27 и второй элемент НЕ 28. Коллектор транзистора 19 соединен с катодом диода 20, первым выводом резистора 21 и потенциальным выводом питания, соединенным в свою очередь с положительным выводом стабилизатора постоянного напряжения 8. Эмиттер транзистора 19 соединен с анодом диода 20, вторым выводом резистора 21 и первым выводом резистора 22, второй вывод которого соединен с первым входным выводом логического элемента И-НЕ 24 и с первым выводом третьего конденсатора 23, второй вывод которого соединен с выходным выводом логического элемента НЕ 25.

Второй входной вывод логического элемента 24 и его общий вывод питания формируют вход синхронизации фазосдвигающего блока, при этом второй входной вывод логического элемента 24 соединен со средним выводом делителя напряжения. Выходной вывод логического элемента 25 соединен с первым выводом четвертого конденсатора 26, второй вывод которого соединен с входным выводом логического элемента 28 и первым выводом резистора 27, второй вывод которого соединен с общим выводом питания. Выход логического элемента 28 и его потенциальный вывод питания формируют выход фазосдвигающего блока. Вывод базы транзистора 19 и общий вывод питания фазосдвигающего блока формируют его вход управления. Общий и потенциальный выводы питания фазосдвигающего блока являются соответственно общим и потенциальным выводами питания логических элементов 24, 25, 28, при этом общий вывод питания фазосдвигающего блока соединен с отрицательным выводом стабилизатора постоянного напряжения.

На чертеже также представлены первое оптоэлектронное реле 10 и первый, второй и третий резисторы 11, 12 и 29, соответственно, которые входят в состав формирователя сигнала включения семистора. Анод светодиода оптоэлектронного реле 10 соединен с потенциальным выводом питания логического элемента 28, а его катод через первый резистор 11 соединен с выходным выводом логического элемента 28. При этом анод светодиода оптоэлектронного реле 10 и не соединенный со светодиодом вывод резистора 11 являются входом формирователя сигнала включения семистора. Первый вывод замыкающих контактов оптоэлектронного реле 10 соединен с выводом 1 для подключения сети и является вторым выходным выводом формирователя сигнала включения семистора. Второй вывод замыкающих контактов оптоэлектронного реле 10 соединен с первым выводом второго резистора 12, второй вывод которого соединен с первым выводом третьего резистора 29, второй вывод которого соединен с управляющим электродом семистора 13 и является первым выходным выводом формирователя сигнала включения семистора.

Первый и второй выводы резистора 29 подключены к входу формирователя 16 сигнала регулирования и плавного пуска, которым является вход (выводы переменного тока) второго выпрямительного моста 30.

В состав формирователя 16 входят: второй выпрямительный мост 30, первый и второй конденсаторы 31, 37, четвертый и пятый резисторы 32, 37, второе оптоэлектронное реле 33, переменный резистор 34 и третий диод 35. Выход (выводы постоянного тока) выпрямительного моста 30 соединены с первым и вторым выводами конденсатора 31. Первый вывод конденсатора 31 соединен с положительным выводом постоянного тока выпрямительного моста 30 и через резистор 32 с анодом светодиода оптоэлектронного реле 33, катод которого соединен с отрицательным выводом постоянного тока выпрямительного моста 30. Первый вывод замыкающих контактов оптоэлектронного реле 33 соединен с потенциальным выводом питания формирователя 16, который соединен с положительным выводом стабилизатора постоянного напряжения. Второй вывод замыкающих контактов оптоэлектронного реле соединен с первым неподвижным контактом переменного резистора 34, второй неподвижный контакт которого соединен с первым выводом конденсатора 37 и с общим выводом питания формирователя 16, соединенным с отрицательным выводом стабилизатора постоянного напряжения. Подвижный контакт переменного резистора соединен с катодом третьего диода 35 и с первым выводом резистора 36, второй вывод которого соединен с анодом диода 35 и со вторым выводом конденсатора 37. Первый и второй выводы конденсатора 37 являются выходом формирователя 16, при этом второй вывод конденсатора 37 соединен с базой транзистора 19.

Устройство согласно изобретению работает следующим образом. На вход синхронизации фазосдвигающего блока 9 поступает напряжение, имеющее форму однополярных импульсов с короткими паузами, сформированное из сетевого напряжения синусоидальной формы выпрямительным мостом 4 и уменьшенное до требуемой величины с помощью делителя напряжения на резисторах 5 и 7 и стабилизаторе 8. В момент перехода сетевого напряжения через нуль на входе синхронизации фазосдвигающего блока напряжение равно нулю, что соответствует нулевому сигналу на втором входном выводе логического элемента И-НЕ 24, соответственно на его выходном выводе устанавливается единичный сигнал, а на выходном выводе логического элемента НЕ 25 нулевой сигнал, то есть на выходе одновибратора и соответственно дифференцирующего узла и входе формирователя сигнала включения семистора отсутствует импульс напряжения. Ток через светодиод первого оптоэлектронного реле 10 не протекает, его замыкающие контакты разомкнуты и на управляющий электрод семистора 13 не подается сигнал включения.

Через промежуток времени, определяемый временем заряда конденсатора 23 от стабилизатора постоянного напряжения по цепи: параллельно соединенные эмиттер коллекторный переход транзистора 19 и резистор 21 - резистор 22 - конденсатор 23 - выходная цепь логического элемента 25, сопротивление которой при нулевом сигнале на его выходе равно нулю, на первом входном выводе логического элемента 24 устанавливается единичный сигнал.

Так как максимально возможная постоянная времени цепи заряда выбирается меньшей длительности полупериода сетевого напряжения, в момент окончания заряда конденсатора 23 на первом входном выводе логического элемента 24 установлен единичный сигнал, поэтому на выходе логического элемента 24 устанавливается нулевой сигнал, а на выходе логического элемента 25 - единичный сигнал, который присутствует там до очередного снижения до нуля напряжения на входе синхронизации фазосдвигающего блока в момент перехода сетевого напряжения через нуль. Таким образом, на выходе одновибратора формируется последовательность импульсов напряжения с частотой, равной удвоенной частоте напряжения сети, передние фронты которых сдвинуты относительно момента перехода сетевого напряжения через нуль на время, определяемое постоянной времени цепи заряда конденсатора 23, а задний фронт совпадает с моментом перехода сетевого напряжения через нуль.

Импульсы напряжения с выхода одновибратора через дифференцирующий узел, которым можно задавать требуемую длительность импульсов, сдвигая его задний фронт, поступают на вход формирователя сигнала включения семистора. При этом на выходе логического элемента 28 устанавливается нулевой сигнал, через светодиод оптоэлектронного реле 10 по цепи: положительный вывод стабилизатора постоянного напряжения 8 - светодиод оптоэлектронного реле 10 - резистор 11 - выходная цепь логического элемента 28 - отрицательный вывод стабилизатора постоянного напряжения 8 протекает ток, замыкающий замыкающие контакты оптоэлектронного реле 10, которые подключают потенциал с вывода 1 для подключения сети через резисторы 12 и 29 к управляющему электроду семистора 13.

При отключенной нагрузке (ключ 14 разомкнут) ток через управляющий электрод семистора не протекает и напряжение на резисторе 29 равно нулю. Соответственно равно нулю напряжение на входе формирователя 16, ток через светодиод оптоэлектронного реле 33 равен нулю, его замыкающие контакты разомкнуты и напряжение на конденсаторе 37, выводы которого являются выходом формирователя 16, равно нулю. При этом напряжение на входе управления фазосдвигающего блока равно нулю. Транзистор 19 заперт и постоянная времени цепи заряда конденсатора 23 имеет максимально возможную величину, задаваемую резистором 21, который, в частном случае, может быть регулируемым. Передний фронт импульсов на выходе одновибратора и соответственно на входе формирователя сигнала включения семистора имеет при этом максимальную задержку относительно момента перехода сетевого напряжения через нуль.

При замыкании ключа 14, при поступлении на вход формирователя сигнала включения семистора импульса напряжения через управляющий электрод семистора течет ток по цепи: вывод 1 - замыкающие контакты оптоэлектронного реле 10 - резистор 12 - резистор 29 - управляющий электрод семистора 13 - катод семистора 13 - нагрузка 15 - ключ 14 - предохранитель 3 - вывод 2. Семистор открывается и подключает нагрузку к сети. При этом на резисторе 29 появляется напряжение, поступающее на вход формирователя 16. Это напряжение через выпрямительный мост 30 подается на последовательную цепь из резистора 32 и светодиода оптоэлектронного реле, через который течет ток, замыкающий замыкающие контакты оптоэлектронного реле 33, через которые начинает заряжаться конденсатор 37 на выходе формирователя 16.

Плавное повышение напряжения на конденсаторе 37 обеспечивает плавное повышение напряжения на входе управления фазосдвигающего блока и плавное открытие транзистора 19, эмиттер коллекторный переход которого шунтирует резистор 27. При этом происходит постепенное уменьшение постоянной времени заряда конденсатора 23 и соответственно время задержки переднего фронта импульсов на выходе одновибратора, определяющего момент включения семистора.

Таким образом, время задержки включения семистора относительно момента перехода напряжения сети через нуль плавно уменьшается от максимальной величины в момент подключения нагрузки при полностью запертом транзисторе 19 до требуемой величины для работы в установившемся режиме. При этом плавно возрастает величина напряжения, подаваемого на нагрузку.

Если в качестве резистора 21 применить регулируемый резистор, то меняя его величину, можно регулировать начальный уровень напряжения при подключении нагрузки. Регулируя величину сопротивления переменного резистора 34, можно менять сопротивление эмиттер коллекторного перехода транзистора 19, которое, изменяя постоянную времени цепи заряда конденсатора 23, меняет величину напряжения на нагрузке в установившемся режиме.

Для уменьшения времени разряда конденсаторов 23 и 37 можно применить диоды 20 и 35 соответственно. В качестве семистора можно, например, применить тиристор ТС-106-10-10-8 (2).

Таким образом, предложенное изобретение обеспечивает сравнительно простыми средствами плавное увеличение напряжения на нагрузке с заданного уровня в момент подключения нагрузки до требуемого уровня и регулирование величины напряжения.

Источники информации
1. Патент ФРГ 1 810 760, H 02 P 13/30, 09.11.72.

2. Ю. А. Евсеев и др. Симисторы и их применение в бытовой электроаппаратуре. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 9, 87.

Изобретение может быть использовано для питания потребителей электроэнергии (электроинструментов, осветительных приборов и т.д.), для которых требуется плавное повышение входного напряжения при их подключении к источнику питания. Техническим результатом является возможность обеспечения плавного повышения выходного напряжения регулятора при подключении к нему потребителей с автономным выключателем, т.е. повышение универсальности и надежности. В предложенном устройстве последовательно в цепь прохождения тока управляющего электрода семистора, через который нагрузка подключается к сети, включен резистор. Напряжение с этого резистора подается на вход формирователя сигнала регулирования и плавного запуска, сигналом с выхода которого регулируется задержка включения семистора относительно момента перехода сетевого напряжения через нуль. Напряжение на вход формирователя сигнала регулирования и плавного запуска поступает в момент подключения нагрузки к выходу регулятора, с этого момента плавно возрастает величина напряжения на его выходе, плавно уменьшается время задержки включения семистора и плавно повышается напряжение, приложенное к нагрузке. Таким образом достигается технический результат. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Регулятор переменного напряжения с плавным пуском, содержащий последовательную цепь из семистора и нагрузки, подключенную к выводам для подключения сети, формирователь сигнала регулирования и плавного запуска, обеспечивающий плавное повышение напряжения на его выходе после подачи напряжения на его вход, выход которого соединен со входом управления фазосдвигающего блока, выход которого соединен со входом формирователя сигнала включения семистора, первый выходной вывод которого соединен с управляющим электродом семистора, отличающийся тем, что последовательно с нагрузкой включен ключ, анод семистора соединен с первым выводом для подключения сети, формирователь сигнала включения семистора содержит первое оптоэлектронное реле и первый, второй и третий резисторы, светодиод первого оптоэлектронного реле через первый резистор подключен ко входу формирователя сигнала включения семистора, замыкающие контакты первого оптоэлектронного реле формируют последовательную цепь со вторым резистором, один вывод которой является вторым выходным выводом формирователя сигнала включения семистора и соединен с анодом семистора, а ее другой вывод соединен через третий резистор с управляющим электродом семистора, выводы третьего или второго резистора соединены со входом формирователя сигнала регулирования и плавного запуска, вход синхронизации фазосдвигающего блока соединен с выходом делителя напряжения, подключенного входом к выходу первого выпрямительного моста, соединенного входом с выводами для подключения сети. 2. Регулятор переменного напряжения по п.1, отличающийся тем, что формирователь сигнала регулирования и плавного запуска содержит второй выпрямительный мост, вход которого является входом формирователя сигнала регулирования и плавного запуска, к выходу второго выпрямительного моста подключен первый конденсатор и последовательная цепь из четвертого резистора и светодиода второго оптоэлектронного реле, замыкающие контакты которого через переменный резистор соединены с общим и потенциальным выводами питания, подвижный контакт переменного резистора через последовательно соединенные пятый резистор и второй конденсатор соединен с общим выводом питания и соединенным с ним неподвижным контактом переменного резистора, при этом выводы второго конденсатора являются выходом формирователя сигнала регулирования и плавного запуска. 3. Регулятор переменного напряжения по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что фазосдвигающий блок содержит соединенные последовательно одновибратор с регулируемой длительностью импульса и дифференцирующий узел, при этом одновибратор содержит последовательно соединенные логический элемент И - НЕ и первый логический элемент НЕ, первый входной вывод логического элемента И - НЕ через шестой резистор и эмиттер-коллекторный переход транзистора соединен с потенциальным выводом питания, второй входной вывод элемента И - НЕ и его общий вывод питания формируют вход синхронизации фазосдвигающего блока, эмиттер-коллекторный переход транзистора зашунтирован включенным встречно относительно него первым диодом и седьмым резистором, между выходным выводом первого логического элемента НЕ и первым входным выводом логического элемента И - НЕ включен третий конденсатор, база транзистора и общий вывод питания являются входом управления фазосдвигающего блока, дифференцирующий узел содержит четвертый конденсатор, восьмой резистор и второй логический элемент НЕ, при этом четвертый конденсатор включен между выходным выводом первого логического элемента НЕ и входным выводом второго логического элемента НЕ, восьмой резистор включен между входным выводом второго логического элемента НЕ и общим выводом питания, выходной вывод второго логического элемента НЕ и потенциальный вывод питания формируют выход дифференцирующего узла, который является выходом фазосдвигающего блока. 4. Регулятор переменного напряжения по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что содержит стабилизатор постоянного напряжения, выполненный в виде включенных параллельно стабилитрона и конденсатора, при этом положительный вывод стабилизатора постоянного напряжения соединен через второй диод со средним выводом делителя напряжения, формирующим с его общим выводом выход делителя напряжения, при этом общий вывод делителя напряжения соединен с отрицательным выводом стабилизатора постоянного напряжения, общие и потенциальные выводы питания формирователя сигнала регулирования и плавного запуска фазосдвигающего блока, первого и второго логических элементов НЕ и логического элемента И - НЕ соединены с отрицательным и положительным выводами стабилизатора постоянного напряжения соответственно.