ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H02M5/10 H02M3/337 

Настоящее изобретение относится к устройствам для преобразования энергии переменного напряжения в энергию переменного напряжения, а более точно касается преобразователя напряжения.

Данное изобретение может быть использовано в усилителях мощности, в цифроаналоговых преобразователях, в робототехнике, в схемах автоматического управления электромеханизмами.

Известен преобразователь напряжения ("Силовые полупроводниковые приборы" под ред. В.В.Токарева, Воронеж, 1995, изд-во ТОО МП "Элист", стр.96), содержащий трансформатор, имеющий две последовательно соединенные первичные и одну вторичную обмотки. При этом начало первой первичной обмотки подключено к первому источнику переменного напряжения, ее конец подключен к шине питания. Начало второй первичной обмотки соединено с концом первой первичной обмотки. Конец второй первичной обмотки соединен со вторым источником переменного напряжения. Первый и второй источники переменного напряжения выполнены в виде транзисторов. Вторичная обмотка трансформатора соединена с цепью нагрузки. Данный преобразователь напряжения использован в схеме преобразователя постоянного напряжения в переменное. Первый и второй источники переменного напряжения генерируют идентичные сигналы, но смещенные по фазе на 180^o относительно друг друга. Транзисторы включаются попеременно, длительность их включения может меняться. При открывании первого транзистора ток протекает через первую первичную обмотку трансформатора, при этом наводится электродвижущая сила в его вторичной обмотке, в результате по ней течет ток через сопротивление нагрузки.

При открывании второго транзистора ток протекает через вторую первичную обмотку трансформатора, при этом наводится электродвижущая сила в его вторичной обмотке, в результате по ней течет ток через сопротивление нагрузки.

Данный преобразователь не имеет возможности коммутировать выходное напряжение. При этом в отключенном состоянии преобразователь напряжения имеет высокое выходное сопротивление, например выше 1000 Ом. Данная величина зависит от конструктивного выполнения самого трансформатора. Данный преобразователь невозможно применять в схемах последовательного соединения выходных цепей аналогичных преобразователей напряжения, так как выходное сопротивление каждого отключенного преобразователя напряжения очень велико и ток не будет протекать по всей выходной последовательной цепи.

В основу изобретения положена задача создания преобразователя напряжения, позволяющего за счет нового схематического решения достичь возможность коммутации выходного напряжения преобразователя напряжения при его малом выходном сопротивлении в отключенном состоянии, что в свою очередь приводит к возможности применения данного преобразователя в схемах последовательного соединения выходных цепей аналогичных преобразователей напряжения.

Поставленная задача решается тем, что преобразователь напряжения, содержащий трансформатор с двумя последовательно соединенными первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, имеющей клеммы для подключения к нагрузке, первый источник переменного напряжения, второй источник переменного напряжения, шину питания, согласно изобретению содержит первый диод, анод которого соединен с началом первой первичной обмотки трансформатора, катод его соединен с первым источником переменного напряжения, второй диод, анод которого соединен с концом второй первичной обмотки трансформатора, катод соединен со вторым источником переменного напряжения, ключевой элемент, через который общая точка последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток соединена с шиной питания, шунтирующий диод, катод которого соединен с общей точкой последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток, а анод соединен с шиной заземления.

Также поставленная задача решается тем, что преобразователь напряжения, содержащий трансформатор с двумя последовательно соединенными первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, первый источник переменного напряжения, второй источник переменного напряжения, шину питания, согласно изобретению содержит первый диод, анод которого соединен с началом первой первичной обмотки трансформатора, катод соединен с первым источником переменного напряжения, второй диод, анод которого соединен с концом второй первичной обмотки трансформатора, катод соединен со вторым источником переменного напряжения, ключевой элемент, через который общая точка последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток соединена с шиной питания, выпрямительный мост, первый вход которого соединен с началом вторичной обмотки трансформатора, второй вход соединен с концом вторичной обмотки трансформатора, первый его выход соединен с шиной заземления, шунтирующий диод, катод которого соединен со вторым выходом выпрямительного моста, соединенным с нагрузкой, а анод шунтирующего диода соединен с шиной заземления.

Данное изобретение позволяет достичь возможность коммутации выходного напряжения преобразователя напряжения при его малом выходном сопротивлении в отключенном состоянии. Также данное изобретение позволяет использовать всего один ключевой элемент для коммутации выходного напряжения и отличается простотой реализации, использует стандартные, широко используемые в промышленности элементы, которые широко взаимозаменяемы по типажу в зависимости от требуемой мощности и других его характеристик. Преобразователь напряжения имеет высокий коэффициент полезного действия по сравнению с линейными источниками напряжения. Изобретение позволяет расширить возможности применения данного преобразователя напряжения, например, в последовательном соединении вторичных обмоток аналогичных преобразователей напряжения для получения суммарного напряжения на выходе с возможностью изменения его амплитуды во всем диапазоне выходного суммарного напряжения.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами выполнения и чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает принципиальную схему преобразователя напряжения согласно изобретению;
фиг. 2 изображает принципиальную схему преобразователя напряжения с выпрямительным мостом согласно изобретению;
фиг. 3 изображает принципиальную схему преобразователя напряжения с ключевым элементом, выполненным в виде полевого транзистора, согласно изобретению.

Преобразователь напряжения содержит трансформатор 1 (фиг. 1) с последовательно соединенными первой первичной обмоткой 2 и второй первичной обмоткой 3 и с одной вторичной обмоткой 4. Вторичная обмотка 4 с клеммами для подключения к нагрузке подключена к сопротивлению 5 нагрузки. Преобразователь напряжения содержит первый диод 6, анод которого соединен с началом первой первичной обмотки 2 трансформатора 1, катод первого диода 6 соединен с первым источником 7 переменного напряжения. Также преобразователь напряжения содержит второй диод 8, анод которого соединен с концом второй первичной обмотки 3 трансформатора 1, а катод его соединен со вторым источником 9 переменного напряжения. Преобразователь напряжения содержит еще ключевой элемент 10 и шунтирующий диод 11. Через ключевой элемент 10 общая точка 12 последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток 2 и 3 соединена с шиной 13 питания. Катод шунтирующего диода 11 соединен с общей точкой 12, а его анод соединен с шиной 14 заземления. Также вторичная обмотка 4 соединена с шиной 14 заземления. Первый и второй источники 7, 9 переменного напряжения выполнены по общеизвестной схеме ("Силовые полупроводниковые приборы" под ред. В.В.Токарева, Воронеж, 1995 г., изд-во ТОО МП "Элист", стр. 16). Ключевой элемент 10 может быть выполнен на любом полупроводниковом приборе, мощность которого зависит от мощности самого преобразователя напряжения, ниже приведен конкретный пример его выполнения. Точками на фигуре обозначено начало обмоток 2, 3, 4 трансформатора 1. По направлению стрелок А показано протекание токов в данной схеме.

На фигуре 2 изображен еще один вариант преобразователя напряжения, аналогичного преобразователю напряжения, изображенному на фигуре 1. Отличие заключается лишь в том, что он содержит выпрямительный мост 15 (фиг.2), первый вход 16 которого соединен с началом вторичной обмотки 4 трансформатора 1, второй вход 17 соединен с концом вторичной обмотки 4. Первый выход 18 выпрямительного моста 15 соединен с шиной 14 заземления, второй выход 19 соединен с катодом шунтирующего диода 11 и заземленным сопротивлением 5 нагрузки. Анод шунтирующего диода 11 соединен с шиной 14 заземления. Выпрямительный мост 15 выполнен по общеизвестной схеме и в данном случае содержит четыре диода, соединенных по мостовой схеме. В общем случае выпрямительный мост 15 может быть выполнен по любой общеизвестной схеме ("Электроника: курс лекций", В. А.Прянишников, СПб. из-во Корона принт, 1998 г., стр. 323, рис. 30.2).

На фигуре 3 изображен еще один пример преобразователя напряжения, аналогичного преобразователю напряжения, изображенному на фигуре 1. Отличие заключается лишь в том, что анод первого диода 6 (фиг. 3) подключен к первому источнику 7 переменного напряжения, его катод подключен к началу первой первичной обмотки 2 трансформатора 1. Анод второго диода 8 подключен ко второму источнику 9 переменного напряжения, его катод подключен к концу второй первичной обмотки 3. Ключевой элемент 10 выполнен в виде полевого транзистора 20, сток которого подключен к общей точке 12, исток подключен к шине 14 заземления, а затвор подключен к блоку 21 управления. Блок 21 управления может быть выполнен по любой общеизвестной схеме в зависимости от решаемых им задач ("Электроника: курс лекций", В.А.Прянишников, СПб, изд-во Корона принт, 1998 г., стр. 372, рис. 33.8; стр. 388, рис. 34.7). Анод шунтирующего диода 11 подключен к общей точке 12, а его катод подключен к шине 13 питания.

Работает данный преобразователь напряжения следующим образом.

Если ключевой элемент 10 (фиг. 1) замкнут на шину 13 питания, то шунтирующий диод 11 закрыт. Первый такт, когда напряжение на первом источнике 7 переменного напряжения равно пулю, а напряжение на втором источнике 9 переменного напряжения больше напряжения питания. При нулевом напряжении на выходе первого источника 7 переменного напряжения создается положительная разница потенциалов, которая открывает первый диод 6, и через него, первую первичную обмотку 2 и через первый источник 7 переменного напряжения протекает ток, который наводит положительную электродвижущую силу (ЭДС) во вторичной обмотке 4. При этом напряжение на выходе второго источника 9 переменного напряжения больше напряжения на шине 13 питания, что создает отрицательную разницу потенциалов на втором диоде 8 и он закрыт, и через него, вторую первичную обмотку 3 и второй источник 9 переменного напряжения не протекает ток. Второй такт. Напряжение на выходе первого источника 7 переменного напряжения больше напряжения питания, а напряжение на выходе второго источника 9 переменного напряжения равно нулю. При этом на первом диоде 6 создается отрицательная разница потенциалов и он закрывается, и через него, первую первичную обмотку 2 и первый источник 7 не протекает ток, а на втором диоде 8 создается положительная разница потенциалов и он открывается, и через него, вторую первичную обмотку 3 и источник 9 протекает ток, который наводит отрицательную электродвижущую силу во второй обмотке 4. Таким образом преобразователь напряжения создает переменное напряжение на выходе и находится во включенном состоянии.

Если ключевой элемент 10 разомкнут, при этом шунтирующий диод 11 открыт. Первый такт. Напряжение на выходе первого источника 7 равно нулю, а напряжение на выходе второго источника 9 больше, чем напряжение на шине 13 питания. Тогда ток не протекает по первой первичной обмотке 2, так как она через шунтирующий диод 11 соединена с шиной 14 заземления и разница потенциалов на ней равна нулю. Таким образом, не наводится электродвижущая сила во второй обмотке 4. Напряжение на выходе второго источника 9 переменного напряжения создает отрицательную разницу потенциалов на втором диоде 8, который закрыт, и через него, вторую первичную обмотку 3 и второй источник 9 не протекает ток, при этом не наводится электродвижущая сила во второй обмотке 4. Второй такт. Напряжение на выходе первого источника 7 переменного напряжения больше напряжения на шине 13 питания, а напряжение на выходе источника 9 переменного напряжения равно нулю. Напряжение на выходе первого источника 7 переменного напряжения создает отрицательный перепад потенциалов на первом диоде 6, который закрывается, и через него, первую первичную обмотку 2 и первый источник 7 переменного напряжения не течет ток, при этом не наводится электродвижущая сила во вторичной обмотке 4. Напряжение на выходе второго источника 9 создает нулевой перепад напряжения на втором диоде 8 и через него, вторую первичную обмотку 3 и второй источник 9 переменного напряжения не течет ток. При этом не наводится электродвижущая сила во вторичной обмотке 4. Таким образом, преобразователь напряжения не создает переменного напряжения на выходе и находится в отключенном состоянии.

Теперь, если подключить к вторичной обмотке 4 внешнее синфазное напряжение, то схема будет работать следующим образом.

Такт первый. Напряжение на выходе первого источника 7 равно нулю, напряжение на выходе второго источника 9 больше, чем на шине 13 питания. Во вторичной обмотке 4 протекает положительный ток. Ток, протекающий во вторичной обмотке 4, наводит электродвижущую силу в первичных обмотках 2 и 3. При этом на аноде первого диода 6 создается положительное напряжение и он открывается, и через него, первый источник 7 переменного напряжения, первую первичную обмотку 2 и шунтирующий диод 11 протекает ток. Сопротивление этой цепи стремится к нулю, соответственно сопротивление вторичной обмотки 4 тоже стремится к нулю.

Напряжение на аноде второго диода 8 отрицательное, он закрывается, и через него, вторую первичную обмотку 3 и второй источник 9 переменного напряжения не течет ток. Такт второй. Напряжение на выходе первого источника 7 больше напряжения на шине 13 питания, напряжение на выходе второго источника 9 равно нулю, во вторичной обмотке 4 протекает отрицательный ток. Ток, протекающий по вторичной обмотке 4, наводит электродвижущую силу в первичных обмотках 2 и 3. При этом на аноде второго диода 8 создается положительное напряжение и он открывается, и через него, второй источник 9, вторую первичную обмотку 3, шунтирующий диод 11 протекает ток. Сопротивление этой цепи стремится к нулю. Соответственно сопротивление вторичной обмотки 4 тоже стремится к нулю. Напряжение на аноде первого диода 6 отрицательное, он закрывается, и через него, первую первичную обмотку 2 и первый источник 7 не течет ток. Таким образом в отключенном состоянии преобразователь напряжения имеет малое выходное сопротивление в отключенном состоянии. Преобразователь напряжения, изображенный на фиг. 2, работает аналогично преобразователю напряжения, изображенному на фиг. 1, с разницей в том, что, когда ключевой элемент 10 (фиг. 2) замкнут на шину 13 питания, то электродвижущая сила со вторичной обмотки 4 подается на выпрямительный мост 15, а с выхода его выходит выпрямленное напряжение.

При этом на катоде шунтирующего диода 11 присутствует положительное напряжение и он заперт. Если разомкнуть ключевой элемент 10, то ток во вторичной обмотке 4 отсутствует и выходное напряжение на выходе выпрямительного моста 15 равно нулю. Теперь, если подключить последовательно ко вторичной обмотке 4 внешнее отрицательное напряжение, то шунтирующий диод 11 откроется, тем самым обеспечивая низкое выходное сопротивление преобразователя напряжения.

Преобразователь напряжения, изображенный на фигуре 3, работает следующим образом. Блок 21 (фиг. 3) управления подает напряжение на затвор полевого транзистора 20, и транзистор 20 открывается. Полевой транзистор 20 открыт, шунтирующий диод 11 заперт. Первый такт. Напряжение на выходе первого источника 7 переменного напряжения равно напряжению на шине 13 питания. Напряжение на выходе второго источника 9 переменного напряжения меньше нуля. К аноду первого диода 6 подводится положительное напряжение, он открывается, и через него, первый источник 7 переменного напряжения, первую первичную обмотку 2, открытый полевой транзистор 20 протекает ток, который наводит во вторичной обмотке 4 электродвижущую силу. К аноду второго диода 8 подводится отрицательное напряжение, он закрывается, и через него, второй источник 9 переменного напряжения, вторую первичную обмотку 3 и открытый полевой транзистор 20 не протекает ток. Второй такт. Напряжение на выходе первого источника 7 переменного напряжения меньше нуля, напряжение на выходе второго источника 9 равно напряжению на шине 13 питания. К аноду второго диода 8 подводится положительное напряжение, он открывается, и через него, второй источник 9 переменного напряжения, вторую первичную обмотку 3 и открытый полевой транзистор 20 протекает ток, который наводит во вторичной обмотке 4 электродвижущую силу. Таким образом преобразователь напряжения находится во включенном состоянии.

Блок 21 управления подает запирающее напряжение на затвор полевого транзистора 20 и он закрывается. Когда полевой транзистор 20 закрыт, то шунтирующий диод 11 открыт. Первый такт. Напряжение на выходе первого источника 7 переменного напряжения равно напряжению на шине 13 питания. Напряжение на выходе второго источника 9 переменного напряжения меньше нуля. К аноду второго диода приложено отрицательное напряжение, он закрывается, и через него, второй источник 9 и вторую первичную обмотку 3 не течет ток.

К цепи - первый диод 6, первая первичная обмотка 2, шунтирующий диод 11 - приложена нулевая разница потенциалов и ток по ней не течет. Таким образом, во вторичной обмотке 4 не создается электродвижущая сила.

Второй такт. Напряжение на выходе первого источника 7 меньше нуля. Напряжение на выходе второго источника 9 равно напряжению на шине 13 питания. К аноду первого диода 6 приложено отрицательное напряжение, он закрывается, и через него, первый источник 7 и первую первичную обмотку 2 не течет ток. К цепи: второй диод 8, вторая первичная обмотка 2, шунтирующий диод 11 приложена нулевая разница потенциалов и ток по ней не течет. Таким образом, во вторичной обмотке 4 не создается электродвижущая сила. Таким образом преобразователь напряжения находится в отключенном состоянии.

Теперь подсоединим ко вторичной обмотке 4 внешнее синфазное напряжение. Первый такт. Внешнее положительное напряжение создает положительный ток во вторичной обмотке 4, который наводит электродвижущую силу в первичных обмотках 2 и 3. Напряжение на выходе первого источника 7 равно напряжению на шине 13 питания. Напряжение на выходе второго источника 9 меньше нуля. К аноду второго диода 8 приложено отрицательное напряжение, он закрывается, и через него, второй источник 9, вторую первичную обмотку 3 не течет ток. В первой первичной обмотке 2 наводится положительная электродвижущая сила, которая открывает первый диод 6 и шунтирующий диод 11. Сопротивление цепи - первый диод 6, шунтирующий диод 11, первый источник 7, первая первичная обмотка 2 - стремится к нулю. Соответственно сопротивление вторичной обмотки 4 тоже стремится к нулю, не препятствуя протеканию тока по ней. Второй такт. Внешнее отрицательное напряжение создает отрицательный ток во вторичной обмотке 4, который наводит электродвижущую силу в первичных обмотках 2 и 3. Напряжение на выходе первого источника 7 переменного напряжения меньше нуля. Напряжение на выходе второго источника 9 переменного напряжения равно напряжению на шине 13 питания. К аноду первого диода 6 приложено отрицательное напряжение, он закрывается, и через него, первый источник 7 переменного напряжения, первую первичную обмотку 2 не течет ток. Во второй первичной обмотке 3 наводится положительная электродвижущая сила, которая открывает второй диод 8 и шунтирующий диод 11. Сопротивление цепи - второй диод 8, шунтирующий диод 11, второй источник 9 переменного напряжения, вторая первичная обмотка 3 - стремится к нулю. Соответственно сопротивление вторичной обмотки 4 тоже стремится к нулю, не препятствуя протеканию тока по ней. Таким образом, преобразователь имеет малое выходное сопротивление в отключенном состоянии.

Таким образом, данное изобретение позволяет достичь возможность коммутации выходного напряжения преобразователя напряжения при его малом выходном сопротивлении в отключенном состоянии, что, в свою очередь, приводит к возможности применения данного преобразователя в схемах последовательного соединения выходных цепей аналогичных преобразователей напряжения.

Преобразователь напряжения (ПН) содержит трансформатор, первый диод (6), соединенный с первой первичной обмоткой (2) трансформатора (Т) (1) и первым источником переменного напряжения. Также преобразователь содержит второй диод (8), соединенный со второй первичной обмоткой (3) Т (1) и со вторым источником переменного напряжения, ключевой элемент (КЭ) (10), через который общая точка первичных обмоток соединена с шиной питания. ПН имеет шунтирующий диод (11), соединенный с шиной заземления и общей точкой первичных обмоток. Также, возможно, что ПН имеет выпрямительный мост, соединенный со вторичной обмоткой, шиной заземления, с катодом шунтирующего диода (11), нагрузкой, и при этом анод шунтирующего диода (11) соединен с шиной заземления. Технический результат: возможность коммутации выходного напряжения ПН при его малом выходном сопротивлении в отключенном состоянии, что позволяет использовать ПН в схемах последовательного соединения выходных цепей, аналогичных ПН. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Преобразователь напряжения, содержащий трансформатор с первой и второй последовательно соединенными первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, имеющей клеммы для подключения к нагрузке, первый источник переменного напряжения, второй источник переменного напряжения, шину питания, ключевой элемент, отличающийся тем, что он содержит первый диод, анод которого соединен с началом первой первичной обмотки трансформатора, катод его соединен с первым источником переменного напряжения, второй диод, анод которого соединен с концом второй первичной обмотки трансформатора, катод соединен со вторым источником переменного напряжения, общая точка последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток трансформатора соединена через ключевой элемент с шиной питания, шунтирующий диод, катод которого соединен с общей точкой последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток трансформатора, а анод соединен с шиной заземления. 2. Преобразователь напряжения, содержащий трансформатор с двумя последовательно соединенными первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, первый источник переменного напряжения, второй источник переменного напряжения, шину питания, отличающийся тем, что он содержит первый диод, анод которого соединен с началом первой первичной обмотки трансформатора, катод его соединен с первым источником переменного напряжения, второй диод, анод которого соединен с концом второй первичной обмотки трансформатора, катод его соединен со вторым источником переменного напряжения, ключевой элемент, через который общая точка последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток соединена с шиной питания, выпрямительный мост, первый вход которого соединен с началом вторичной обмотки трансформатора, второй вход соединен с концом вторичной обмотки трансформатора, первый его выход соединен с шиной заземления, шунтирующий диод, катод которого соединен со вторым выходом выпрямительного моста, соединенным с нагрузкой, а анод шунтирующего диода соединен с шиной заземления.