СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ Российский патент 2000 года по МПК H02M3/335 G05F1/569 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания.

Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения с защитой, содержащий сетевой выпрямитель с фильтром, регулируемый однотактный преобразователь, два выпрямительных диода, выходной и дополнительный фильтры, систему управления и защиты, включающую в себя первый и второй RS-триггеры, датчик напряжения, два интегратора, генератор постоянного тока, генератор опорного тока, узел суммирования сигналов управления, узел мягкого запуска, усилитель мощности, цепь сброса, два пороговых элемента, два элемента И [1].

Недостатком этого устройства является сравнительно медленный выход (порядка n • 1 сек, где n = 2-5) устройства в установившийся режим после подключения устройства к сети и, соответственно медленное (n • 1 сек, где n = 2-5) восстановление установившегося значения выходного напряжения после снятия перегрузки на выходе устройства. Недостатком этого устройства является также отсутствие возможности его дистанционного включения и выключения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является стабилизированный преобразователь постоянного напряжения с защитой, содержащий сетевой выпрямитель с фильтром, регулируемый однотактный преобразователь, дополнительный однотактный преобразователь, релаксационный генератор, дополнительный фильтр, два выпрямительных диода, компенсационный стабилизатор напряжения и систему управления и защиты [2].

Недостатком этого устройства является значительное увеличение массы и габаритов стабилизированного преобразователя за счет использования дополнительного однотактного преобразователя.

Технической задачей изобретения является улучшение массогабаритных параметров стабилизированного преобразователя за счет упрощения схемы путем исключения дополнительного однотактного преобразователя.

Технический результат достигается тем, что в стабилизированный преобразователь постоянного напряжения с защитой, содержащий сетевой выпрямитель с фильтром, подключенный выходом к силовому входу регулируемого однотактного преобразователя на два выхода, первый выход которого через первый выпрямительный диод, включенный в прямом направлении, подключен к входу выходного фильтра, предназначенного для подключения к нагрузке, второй выход регулируемого однотактного преобразователя через второй выпрямительный диод, включенный в прямом направлении, подключен к входу дополнительного фильтра, выход которого подключен к входу компенсационного стабилизатора напряжения, выход компенсационного стабилизатора напряжения подсоединен к выводу электропитания системы управления и защиты, включающую в себя датчик тока, входом подключенного к силовому входу регулируемого однотактного преобразователя, а выходом подключенный к входу первого порогового элемента, выходом подключенного к R-входу первого RS-триггера, второй RS-триггер, первый и второй элементы И, усилитель мощности, датчик напряжения, узел мягкого запуска, генератор опорного тока, узел суммирования сигналов управления, генератор постоянного тока, два интегратора, два разделительных диода, цепь сброса, второй пороговый элемент, пороговый элемент с гистерезисом, одновибратор, два буферных элемента НЕ, причем вход датчика напряжения предназначен для подключения к нагрузке, выходы генератора опорного тока, датчика напряжения и узла мягкого запуска подключены к входам узла суммирования управляющих сигналов, выход которого подключен к входу первого интегратора, выход генератора постоянного тока подключен к входу второго интегратора, входы сброса первого и второго интеграторов подключены соответственно через первый и второй разделительные диоды к выходу цепи сброса, вход которой подключен к выходу второго RS-триггера, выход первого интегратора подключен к входу порогового элемента с гистерезисом, выход второго интегратора подсоединен к входу второго порогового элемента, выход порогового элемента с гистерезисом подключен к первому входу первого элемента И, к инверсным S-входам первого и второго RS-триггеров, к первому входу второго элемента И, выход второго порогового элемента соединен со вторым входом второго элемента И, выход которого подключен к R-входу второго RS-триггера, выход первого RS-триггера подсоединен к второму входу первого элемента И, выход которого подключен к входу усилителя мощности, вход одновибратора подключен к выходу первого RS-триггера, выход одновибратора подсоединен к первому инверсному входу сброса узла мягкого запуска, вход дистанционного управления устройства соединен через первый буферный элемент НЕ со вторым инверсным входом сброса узла мягкого запуска и через второй буферный элемент НЕ с третьим входом первого элемента И, введен управляемый релаксационный генератор, а система управления и защиты снабжена третьим и четвертым буферными элементами НЕ, третьим элементом И на два входа, элементом ИЛИ на два входа, причем силовой вход управляемого релаксационного генератора подключен к выходу сетевого выпрямителя с фильтром, а выход управляемого релаксационного генератора подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу регулируемого однотактного преобразователя, выход усилителя мощности подключен к второму входу элемента ИЛИ и к входу третьего буферного элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, вход дистанционного управления устройства соединен через четвертый буферный элемент НЕ со вторым входом третьего элемента И, выход которого подключен к входу управления управляемого релаксационного генератора.

Кроме того, управляемый релаксационный генератор снабжен семью резисторами, двумя конденсаторами, двумя стабилитронами и тремя транзисторами, причем одной из обкладок первый и второй конденсаторы, эмиттер первого транзистора, анод первого стабилитрона подсоединены к общей шине управляемого релаксационного генератора, другой обкладкой первый конденсатор подключен к входу управления управляемого релаксационного генератора, к эмиттерам второго и третьего транзисторов, через первый резистор к силовому входу управляемого релаксационного генератора, через второй резистор к базе второго транзистора и через третий резистор к базе третьего транзистора, другой обкладкой второй конденсатор подключен к аноду второго стабилитрона, к базе первого транзистора, через четвертый резистор к общей шине управляемого релаксационного генератора и через пятый резистор к коллектору третьего транзистора, коллектор второго транзистора подключен через шестой резистор к катоду второго стабилитрона и подсоединен к выходу управляемого релаксационного генератора, база второго транзистора подключена через седьмой резистор к коллектору первого транзистора, а катод первого стабилитрона подключен к базе третьего транзистора.

На фиг. 1 представлена функциональная схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения с защитой; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений стабилизированного преобразователя; на фиг. 3 - временные диаграммы токов стабилизированного преобразователя; на фиг. 4 - принципиальная схема управляемого релаксационного генератора.

Функциональная схема стабилизированного преобразователя содержит сетевой выпрямитель 1 с фильтром, регулируемый однотактный преобразователь 2, управляемый релаксационный генератор 3, выходной фильтр 4, нагрузку 5, дополнительный фильтр 6, компенсационный стабилизатор напряжения 7, первый 8 и второй 9 выпрямительные диоды, система управления и защиты 10, содержащая первый буферный элемент НЕ 11, пороговый элемент с гистерезисом 12, первый 13 и второй 14 пороговые элементы, первый элемент И 15 на три входа, первый 16 и второй 17 RS-триггеры, генератор опорного тока 18, усилитель мощности 19, второй элемент И 20 на два входа, датчик тока 21, цепь сброса 22, разделительные диоды 23 и 24, узел мягкого запуска 25, датчик напряжения 26, одновибратор 27, узел суммирования 28 управляющих сигналов, генератор постоянного тока 29, первый 30 и второй 31 интеграторы, второй буферный элемент НЕ 32, элемент ИЛИ 33 на два входа, третий элемент И 34 на два входа, третий 35 и четвертый 36 буферные элементы НЕ.

Выход сетевого выпрямителя 1 с фильтром соединен с силовым входом регулируемого однотактного преобразователя 2 и силовым входом 37 управляемого релаксационного генератора 3. Выход 38 управляемого релаксационного генератора 3 подключен к первому входу элемента ИЛИ 33. Выход регулируемого однотактного преобразователя 2 через первый выпрямительный диод 8, включенный в прямом направлении, соединен с входом выходного фильтра 4, своим выходом подключенного к нагрузке 5.

Второй выход регулируемого однотактного преобразователя 2 через второй выпрямительный диод 9, включенный в прямом направлении, соединен с входом дополнительного фильтра 6, выход которого подключен к входу компенсационного стабилизатора напряжения 7. Выход компенсационного стабилизатора напряжения 7 подключен к выходу электропитания 39 системы управления и защиты 10.

Вход датчика напряжения 26 подключен к нагрузке 5, выходы датчика напряжения 26, генератора опорного тока 18 и узла мягкого запуска 25 подсоединены к соответствующим входам узла суммирования 28 управляющих сигналов, выход которого подключен к входу первого интегратора 30. Выход первого интегратора 30 подключен к входу порогового элемента с гистерезисом 12. Выход генератора постоянного тока 29 соединен с входом второго интегратора 31, выход которого подключен к входу второго порогового элемента 14. Выход порогового элемента с гистерезисом 12 подключен к второму входу первого элемента И 15, к инверсным S-входам первого 16 и второго 17 RS-триггеров, к первому входу второго элемента И 20. Выход второго порогового элемента 14 подключен ко второму входу второго элемента И 20, выход которого соединен с R-входом второго RS-триггера 17. Выход второго RS-триггера 17 соединен с входом цепи сброса 22, выход которой через разделительные диоды 23 и 24 подключен к входам сброса первого 30 и второго 31 интеграторов.

К силовому входу регулируемого однотактного преобразователя 2 подключен вход датчика тока 21, выход которого соединен с входом первого порогового элемента 13. Выход первого порогового элемента 13 соединен R-входом первого RS-триггера 16, выход которого подключен к первому входу первого элемента И 15 и к входу одновибратора 27. Выход одновибратора 27 подключен к первому входу сброса узла мягкого запуска 25.

Выход первого элемента И 15 подключен ко входу усилителя мощности 19, выход которого подключен к входу третьего буферного элемента НЕ 35 и к второму входу элемента ИЛИ 33. Выход элемента ИЛИ 33 является выходом 40 системы управления и защиты 11 и подключен к управляющему входу регулируемого однотактного преобразователя 2.

Вход дистанционного управления 41 устройства подключен к входам первого 11, второго 32 и четвертого 36 буферных элементов НЕ. Выход первого буферного элемента НЕ 11 подключен к третьему входу первого элемента И 15, выход второго буферного элемента НЕ 32 подключен к второму инверсному входу сброса узла мягкого запуска 25. Выход третьего буферного элемента НЕ 35 подключен к первому входу третьего элемента И 34, выход четвертого буферного элемента НЕ 36 подключен к второму входу третьего элемента И 34, выход которого соединен с входом управления 42 управляемого релаксационного генератора 3.

Управляемый релаксационный генератор 3 снабжен семью резисторами 43, 44, 45, 46, 47, 48 и 49, двумя стабилитронами 50 и 51, тремя транзисторами 52, 53 и 54, двумя конденсаторами 55 и 56.

Одной из обкладок первый 55 и второй 56 конденсаторы, эмиттер первого транзистора 52, анод первого стабилитрона 50 подсоединены к общей шине 57 управляемого релаксационного генератора 3, другой обкладкой первый конденсатор 55 подключен к входу управления 42 управляемого релаксационного генератора 3, к эмиттерам второго и третьего транзисторов 53 и 54, через первый резистор 43 к силовому входу 37 управляемого релаксационного генератора 3, через второй резистор 44 к базе второго транзистора 53 и через третий резистор 45 к базе третьего транзистора 54, другой обкладкой второй конденсатор 56 подключен к аноду второго стабилитрона 51, к базе первого транзистора 52, через четвертый резистор 46 к общей шине 57 управляемого релаксационного генератора 3 и через пятый резистор 47 к коллектору третьего транзистора 54, коллектор второго транзистора 53 подключен через шестой резистор 48 к катоду второго стабилитрона 51 и подсоединен к выходу 38 управляемого релаксационного генератора 3, база второго транзистора 53 подключена через седьмое резистор 49 к коллектору первого транзистора 52, а катод первого стабилитрона 50 подключен к базе третьего транзистора 54.

Третий резистор 45, первый стабилитрон 50 и третий транзистор 54 образуют пороговый элемент, который задает амплитуду импульсов на выходе управляемого релаксационного генератора 3. Первый резистор 43 и первый конденсатор 55 образуют времязадающую цепь, которая определяет период следования импульсов на выходе 38 управляемого релаксационного генератора 3. Открытый третий транзистор 54 служит для начального включения через пятый резистор 47 первого транзистора 52 с последующим отпиранием второго транзистора 53. Второй 44 и седьмой 49 резисторы обеспечивают режим базовой цепи второго транзистора 53 как в открытом, так и в закрытом состоянии.

Открытый второй транзистор 53, разряжая первый конденсатор 55, с одной стороны обеспечивает самоподхват своего насыщенного состояния через шестой резистор 48, второй стабилитрон 51 и первый транзистор 52, а с другой - собственно формирует импульсы на выходе 38 управляемого релаксационного генератора 3.

Второй стабилитрон 51, кроме того, выполняет функцию формирования нижнего порога отсечки выходного напряжения управляемого релаксационного генератора 3, что исключает возможность "залипания" первого 52 и второго 53 транзисторов в активном режиме. Второй конденсатор 56 выполняет роль элемента задержки с тем, чтобы первый транзистор 52 надежно отпирался. Четвертый резистор 46 разряжает второй конденсатор 56 в паузах между импульсами на выходе 38 управляемого релаксационного генератора 3 и обеспечивает режим базовой цепи первого транзистора 52.

Длительность импульсов на выходе 38 управляемого релаксационного генератора 3 определяется с одной стороны емкостью первого конденсатора 55, а с другой - сопротивлением нагрузки релаксационного генератора.

При наличии нулевого сигнала на входе управления 42 управляемого релаксационного генератора 3 с выхода третьего элемента И 34, выполненного, например, по схеме с открытым коллектором, первый конденсатор 55 перестает заряжаться и, соответственно, прекращается выработка импульсов в управляемом релаксационном генераторе 3.

Преобразователь работает следующим образом.

При включении устройства напряжение сети, выпрямленное и сглаженное сетевым выпрямителем 1 с фильтром, подается одновременно на силовой вход регулируемого однотактного преобразователя 2 и силовой вход 37 управляемого релаксационного генератора 3, который с момента подачи на него напряжения формирует последовательность коротких импульсов, следующих непрерывно с постоянной частотой n • 1 кГц, где n = 3-8 в зависимости от обеспечения требующейся мощности электропитания системы управления и защиты 10, и поступающих через первый вход элемента ИЛИ 33 на управляющий вход регулируемого однотактного преобразователя 2. Управляемый последовательностью коротких импульсов с выхода 38 управляемого релаксационного генератора 3, регулируемый однотактный преобразователь 2 через выпрямительный диод 9, включенный в прямом направлении, накачивает энергию в дополнительный фильтр 6, напряжение на выходе которого стабилизируется на заданном уровне компенсационным стабилизатором напряжения 7. Напряжение с выхода компенсационного стабилизатора напряжения 7 поступает на вывод электропитания 39 системы управления и защиты 10. После того, как система управления и защиты 10 начнет вырабатывать собственные импульсы управления, поступающие на выход усилителя мощности 19 и далее, с одной стороны - в виде положительных импульсов на управляющий вход регулируемого однотактного преобразователя 2 через второй вход элемента ИЛИ 33, а с другой - в виде проинвертированных нулевых импульсов через третий буферный элемент НЕ 35 и первый вход третьего элемента И 34 на вход управления 42 управляемого релаксационного генератора 3, происходит выключение управляемого релаксационного генератора 3 и передача управления регулируемого однотактного преобразователя 2 к системе управления и защиты 10.

Таким образом схема электропитания системы управления и защиты 10 обеспечивает последнюю стабильным электропитанием уже через 30-50 мсек после включения устройства в сеть и на весь дальнейший период работы во всех штатных и аварийных ситуациях до момента прекращения подачи сетевого напряжения на преобразователь, причем при аварийных ситуациях управление регулируемым однотактным преобразователем 2 переходит к управляемому релаксационному генератору 3 при отсутствии сигналов на выходе усилителя мощности 19.

Для того, чтобы вывести стабилизированный преобразователь в номинальный установившийся режим с заданной нагрузкой 5, система управления и защиты 10 после подачи на нее электропитания начинает вырабатывать последовательность импульсов фиксированной длительности, но нарастающей частоты следования следующим образом.

При подаче электропитания на систему управления и защиты нулевой сигнал с выхода порогового элемента с гистерезисом 12 установит по инверсным S-входам первый 16 и второй 17 RS-триггеры в единичное состояние.

При подаче электропитания на систему управления и защиты 10 генератор постоянного тока 29 вырабатывает фиксированный ток I_фикс (фиг. 3д), который, поступая на вход второго интегратора 31, задает на выходе, последнего постоянную скорость нарастания линейного напряжения до уровня ограничения U_огр (фиг. 2а). Напряжение с выхода второго интегратора 31 подается на вход второго порогового элемента 14. При достижении порогового значения напряжения U_{пор.верх} на входе второго порогового элемента 14 последний вырабатывает единичный импульс (фиг. 2б), длительность которого определяется временем превышения напряжения на выходе второго интегратора 31 над пороговым напряжением U_{пор.верх} второго порогового элемента 14 (фиг. 2а).

В узле суммирования 28 управляющих сигналов алгебраически складываются токовые сигналы с выходов генератора опорного тока 18, датчика напряжения 26 и узла мягкого запуска 25.

При подаче электропитания на систему управления и защиты 10 датчик напряжения 26 отрицательной обратной связи по напряжению вырабатывает токовый сигнал I_ДН, величина которого прямо пропорциональна с заданным коэффициентом k_U напряжению U_Н на нагрузке 5 (фиг.3а), генератор опорного тока 18 вырабатывает опорный ток I_оп (фиг.3б), который задает величину напряжения и, соответственно, тока в нагрузке при установившемся режиме замкнутой статической системы регулирования стабилизирующего преобразователя, узел мягкого запуска 25 вырабатывает ток I_УМЗ, величина и характер изменения которого (фиг.3в) устанавливается в период вывода стабилизированного преобразователя в установившийся режим с номинальной нагрузкой 5 таким образом, чтобы ток I₂₈ = I_оп - I_ДН - I_УМЗ на выходе узла суммирования 28 управляющих сигналов мог плавно возрастать от начального I_28нач = I_оп - I_УМЗнач (I_ДНнач = 0) до установившегося значения I_28уст = I_оп - I_ДНуст при выходе стабилизированного преобразователя в установившийся режим. В номинальном установившимся режиме узел мягкого запуска 25 тока не ответвляет (I_УМЗуст = 0) и, соответственно, не влияет на процесс регулирования установившегося режима работы стабилизированного преобразователя.

Узел мягкого запуска 25 может приводиться в исходное состояние по первому входу сброса нулевым импульсом достаточной длительности, поступающим с выхода одновибратора 27, запускаемого отрицательным перепадом с выхода первого RS-триггера 16. Узел мягкого запуска 25 может также приводиться в исходное состояние по своему второму инверсному входу сброса нулевым потенциальным сигналом, поступающим через второй буферный элемент НЕ 32 с входа дистанционного управления 41 устройства.

Скорость нарастания напряжения на выходах первого 30 и второго 31 интеграторов прямого пропорциональна току на их входах.

Скорость нарастания напряжения на выходе второго интегратора 31, и соответственно, длительность нарастания напряжения до U_огр на выходе второго интегратора 31 постоянна во всех режимах работы стабилизированного преобразователя, как при запуске (фиг. 2а), так и в номинальном режиме (фиг. 2з), поскольку определяется только величиной фиксированного тока I_фикс на выходе генератора постоянного тока 29 (фиг. 3д).

Скорость и, соответственно, длительность нарастания напряжения на выходе первого интегратора 30 до величины напряжения ограничения U_огр задается током I₂₈ с выхода узла суммирования 28 управляющих сигналов (фиг. 3г). Итак, при подаче электропитания на систему управления и защиты 10 ток на выходе узла 28 суммирования управляющих сигналов устанавливается намного меньше, чем ток на выходе генератора постоянного тока 29 (фиг. 3г и фиг. 3д), т.е. I_28нач= I_оп - I_УМЗнач < I_фикс.

Первый интегратор 30 на своем выходе формирует медленно нарастающее напряжение (фиг. 2в), крутизна которого соответственно намного меньше, чем крутизна напряжения на выходе второго интегратора 31 (фиг. 2а). Напряжение с выхода первого интегратора 30 поступает на вход порогового элемента с гистерезисом 12, единичный сигнал на выходе которого появится (фиг. 2г) в момент достижения напряжения на выходе первого интегратора 30 величины верхнего порогового напряжения U_{пор.верх} срабатывания порогового элемента 12 с гистерезисом (фиг. 2в).

Единичный сигнал с выхода порогового элемента 12 с гистерезисом поступает на инверсный S-вход первого RS-триггера 16, на инверсный S-вход второго RS-триггера 17, на первый вход первого элемента И 15 и на первый вход второго элемента И 20. При поступлении единичного сигнала на инверсный S-вход первый RS-триггер 16 подтверждает единичное состояние на своем выходе, и единичный сигнал с выхода первого RS-триггера 16 продолжает присутствовать на втором входе первого элемента И 15. При поступлении единичного сигнала на инверсный S-вход второго RS-триггера единичное состояние последнего также не изменяется. При поступлении единичного сигнала на первый вход первого элемента И 15 на выходе последнего начинается формирование переднего фронта единичного рабочего импульса управления, который, будучи усилен в усилителе мощности 19, через второй вход элемента ИЛИ 33 открывает регулируемый однотактный преобразователь 2 и последний по своему выходу начинает закачивать энергию через первый выпрямительный диод 8, включенный в прямом направлении, в выходной фильтр 4 и через второй выпрямительный диод 9, также включенный в прямом направлении, в дополнительный фильтр 6 и далее через компенсационный стабилизатор 7 - на вывод электропитания 39 системы управления и защиты 10. Одновременно единичный сигнал с выхода усилителя мощности 19 поступает на вход третьего буферного элемента НЕ 35, нулевой сигнал с выхода которого через первый вход третьего элемента И 34 поступает на вход управления 42 управляемого релаксационного генератора 3, разряжая первый конденсатор 55 времязадающей цепи управляемого релаксационного генератора 3 и блокируя последнему выработку единичного импульса управления для регулируемого однотактного преобразователя 2. При поступлении единичного сигнала на первый вход второго элемента И 20, на втором входе которого единичный сигнал с выхода второго порогового элемента 14 уже присутствует к этому моменту (фиг. 2а), на выходе второго элемента И 20 появляется единичный сигнал, который, воздействуя на R-вход второго RS-триггера 17, перебрасывает последний в нулевое состояние. Нулевой сигнал на выходе второго RS-триггера 17 обеспечивает через цепь сброса 22 и разделительные диоды 23 и 24 спад напряжения на выходах первого 30 и второго 31 интеграторов. Крутизна спада напряжений на выходах первого 30 и второго 31 интеграторов задается примерно одинаковой и определяется подбором параметров цепи 22 сброса и внутренних параметров интеграторов 30 и 31. При снижении напряжения на выходе второго интегратора 31 ниже верхнего порогового напряжения U_{пор.верх} второй пороговый элемент 14 на своем выходе сформирует нулевой сигнал (фиг. 2б), который устанавливает через второй элемент И 20 нулевой сигнал на R-входе второго RS-триггера 17.

При снижении напряжения на выходе первого интегратора 30 ниже верхнего порогового напряжения U_{пор.верх} единичный сигнал на выходе порогового элемента с гистерезисом 12 сохраняется до того момента, когда напряжение на выходе первого интегратора 30 спадает до нижнего порога срабатывания U_{пор.ниж} порогового элемента с гистерезисом 12 и только в этот момент на выходе порогового элемента 12 с гистерезисом появится нулевой сигнал. Таким образом устраняется нежелательная комбинация наличия одновременно нулевого сигнала на инверсном S-входе и единичного сигнала на R-входе второго RS-триггера 17.

Нулевой сигнал на выходе порогового элемента 12 с гистерезисом (фиг. 2г) завершит формирование первого единичного рабочего импульса управления на выходе 40 системы 10 управления и защиты (поскольку импульсы на выходе 40 системы 10 управления и защиты полностью повторяют форму импульсов на выходе порогового элемента 12 с гистерезисом), перебросит второй RS-триггер 17 в единичное состояние, запирая цепь сброса 22 и прекращая, соответственно, спад напряжения на выходах первого 30 и второго 31 интеграторов. Минимальная длительность положительного импульса на выходе порогового элемента 12 с гистерезисом (фиг. 2г), на выходе первого элемента И 15 и, соответственно, на выходе 40 системы 10 управления и защиты определяется временем спада τ_cп напряжения на выходе первого интегратора 30 (фиг. 2е) от величины верхнего порогового напряжения срабатывания U_{пор.верх} порогового элемента с гистерезисом 12 до величины нижнего порога срабатывания U_{пор.ниж} порогового элемента 12 с гистерезисом и зависит только от параметров цепи 22 сброса и внутренних параметров первого интегратора 30 и не зависит от частоты следования импульсов.

Первый 30 и второй 31 интеграторы начнут формировать вторые и каждые последующие импульсы нарастающего напряжения на своих выходах, причем узел мягкого запуска 25 ответвляет меньший ток (фиг. 3в), и, следовательно, ток на выходе узла 28 суммирования управляющих сигналов возрастет (фиг. 3г), скорость нарастания напряжения на выходе первого интегратора 30 возрастает, а длительность переднего фронта τ_нap1 импульса на выходе первого интегратора 30 уменьшается (фиг. 2в), соответственно уменьшается период появления второго и каждого последующего T_ЧИM = τ_нap1+τ_сп импульса управления фиксированной длительности регулируемого однотактного преобразователя 2 (фиг. 2г).

Таким образом, в период вывода стабилизированного преобразователя в номинальный режим система 10 управления и защиты обеспечивает на начальном этапе работы частотно-импульсное модулирование последовательности импульсов фиксированной длительности τ_сп с нарастающим коэффициентом заполнения на выходе регулируемого однотактного преобразователя 2, и, соответственно, "мягкое" вхождение регулируемого однотактного преобразователя 2 в процесс установившегося номинального режима, причем период следования импульсов регулируемого однотактного преобразователя 2 на начальном этапе определяется длительностью переднего фронта τ_нap1 импульсов на выходе первого интегратора 30 (фиг. 2в и фиг. 2г).

В тот момент, когда длительность переднего фронта τ_нap1 импульса на выходе первого интегратора 30 (фиг. 2и) станет меньше длительности переднего фронта τ_нap2 импульса на выходе второго интегратора 31 (фиг. 2з), единичный сигнал на выходе порогового элемента 12 с гистерезисом (фиг. 2к), и, соответственно, импульс управления на выходе системы 10 управления и защиты появится также в момент достижения напряжения верхнего порога срабатывания U_{пор.верх} порогового элемента 12 с гистерезисом на выходе первого интегратора 30 (фиг. 2и).

После того, как нарастающее напряжение на выходе второго интегратора 31 достигнет значения верхнего порога срабатывания U_{пор.верх} второго порогового элемента 14 (фиг. 2з), на выходе последнего появится единичный сигнал, который в совокупности с единичным сигналом с выхода порогового элемента 12 с гистерезисом, воздействуя на входы второго элемента И 20, перебросит второй RS-триггер 17 в нулевое состояние, и начнется через цепь сброса 22 и разделительные диоды 23 и 24 спад напряжения на выходах первого 30 и второго 31 интеграторов. При уменьшении напряжения на выходе первого интегратора 30 до значения U_{пор.ниж} (фиг. 2и) срабатывает пороговый элемент 12 с гистерезисом и сформирует на своем выходе задний фронт единичного импульса (фиг. 2и и фиг. 2к) и, соответственно, задний фронт импульса на выходе усилителя мощности 19 и через второй вход элемента ИЛИ 33 задний фронт импульса управления для регулируемого однотактного преобразователя 2. Период следования импульсов на выходе порогового элемента 12 с гистерезисом (импульсов управления регулируемого преобразователя 2) постоянный и равен T_ШИM = τ_нap2+τ_сп (фиг. 2з и фиг. 2к), нарастающая длительность импульсов τ_ШИM = τ_нap2+τ_сп-τ_нap1 (фиг. 2и), где τ_нap2 - длительность нарастания напряжения на выходе второго интегратора 31 до верхнего порога срабатывания U_{пор.верх} второго порогового элемента 14. Так как τ_нap2 = const, τ_сп = const, и уменьшается только τ_нap1 до своего установившегося значения τ_нap1уст, то τ_ШИM будет возрастать до своего установившегося значения τ_ШИMуст = τ_нap2+τ_сп-τ_{нар1уст} и коэффициент заполнения
будет возрастать до своего установившегося значения:

Таким образом, при выводе в номинальный режим стабилизированного преобразователя с заданной нагрузкой 5 происходит вначале плавное регулирование с помощью ЧИМ (фиг. 2д, е, ж - эти диаграммы показывают формирование импульсов управления регулируемого преобразователя в тот момент, когда сравняются длительности нарастания напряжений на выходах первого 30 и второго 31 интеграторов, в этом случае длительность импульса как при ЧИМ-регулировании, а период следования импульсов как при ШИМ), затем выход на ШИМ-регулирование стабилизированного преобразователя (фиг. 2з, 2и, 2к) в установившемся режиме.

В процессе работы стабилизированного преобразователя возможно такое изменение нагрузки 5, что может происходить плавный переход от ШИМ к ЧИМ и наоборот. Момент такого перехода определяется только соотношением длительности нарастания напряжений на выходах первого 30 и второго 31 интеграторов τ_нар1 и τ_нар2.
Второй элемент И 20 синхронизирует работу первого 30 и второго 31 интеграторов, так как нулевой сигнал на его выходе, перебрасывающий второй RS-триггер 17 и включающий цепь разряда 22, появляется только при одновременном появлении единичных сигналов на выходах второго порогового элемента 14 и порогового элемента с гистерезисом 12.

Наличие перегрузки или короткого замыкания в нагрузке вызовет увеличение соответствующего максимального тока на силовом входе регулируемого однотактного преобразователя 2, так как регулируемый преобразователь своим выходом подключен через первый выпрямительный диод 8, включенный в прямом направлении, и выходной фильтр 4 к нагрузке 5. Таким образом, всякое изменение тока в нагрузке 5 во время действия импульса управления на выходе 40 системы управления и защиты 10 вызовет адекватную реакцию на силовом входе регулируемого однотактного преобразователя 2, смягченную только наличием выходного фильтра 4. Поэтому при наличии перегрузки на силовом входе регулируемого однотактного преобразователя 2 (за счет изменения тока в нагрузке 5 из-за перегрузки или короткого замыкания, равно как и за счет аварийных процессов собственно в самом однотактном преобразователе 2 или же отказов в системе управления и защиты 10), когда напряжение на выходе датчика тока 21 достигнет порогового напряжения срабатывания первого порогового элемента 13, на выходе последнего появляется единичный импульс, который перебрасывает первый RS-триггер 16 в нулевое состояние. Нулевой сигнал с выхода первого RS-триггера 16, воздействуя на второй вход первого элемента И 15, отсекает прохождение текущего импульса управления на усилитель мощности 19, одновременно воздействует на вход одновибратора 27. Одновибратор 27 формирует нулевой импульс достаточной длительности на своем выходе, который, воздействуя на первый инверсный вход сброса узла мягкого запуска 25, переводит последний в начальное состояние, в котором ответвляемый узлом 25 мягкого запуска ток из узла 28 суммирования управляющих сигналов уменьшает коэффициент заполнения импульсов на выходе 40 системы 10 управления и защиты (за счет возрастания τ_нар1). По завершении формирования текущего импульса управления нулевой сигнал с выхода порогового элемента 12 с гистерезисом перебросит по - инверсному S-входу первый RS-триггер 16 в единичное состояние, разрешая прохождение последующего импульса управления, который также может быть отсечен при необходимости, как описано выше. Такой процесс будет повторяться периодически до тех пор, пока не будет снята перегрузка.

При номинальных режимах в нагрузке 5 на высокой частоте преобразования длительность нулевого сигнала на выходе первого RS-триггера 16, составляя часть (равной n • 1 мкс, где n = 2-6) длительности импульса управления системы 10 управления и защиты (как показано выше), не позволяет непосредственно эффективно воздействовать нулевому сигналу с выхода первого RS-триггера 16 из-за его кратковременности на первый инверсный вход сброса узла мягкого запуска 25. Одновибратор 27 фактически "растягивает" нулевой сигнал с выхода первого RS-триггера 16 в n • 1000 раз, где n = 1-3, соответственно нулевой сигнал с выхода одновибратора 27 возвращает узел мягкого запуска 25 в исходное состояние, обеспечивая в последующем процесс "мягкого" вывода преобразователя к той длительности импульса управления системы 10 управления и защиты, при которой сработает датчик тока 21 (при наличии перегрузки или короткого замыкания в нагрузке 5, например). Такой процесс будет повторяться до тех пор, пока не будет снята перегрузка.

При отсутствии одновибратора 27 в условиях перегрузки высокая частота преобразования не уменьшается и до момента срабатывания датчика тока 21 в каждом рабочем такте преобразования первый выпрямительный диод 8, замыкающий диод в выходном фильтре 4, элементы однотактного преобразователя 2 вынуждены пропускать значительные токи с высокой частотой преобразования, что ведет к значительным тепловым перегрузкам в вышеуказанных элементах устройства и, следовательно, к аварийным отказам. При наличии одновибратора 27 в условиях перегрузки или короткого замыкания в нагрузке 5 или в самом регулируемом однотактном преобразователе 2 основная частота преобразования (от действия системы управления и защиты 10) фактически снижается в n • 1000 (n = 1-3) раз, и, соответственно, снижается теплонагруженность вышеуказанных элементов устройства на основной частоте преобразования. Тепловые потери в элементах регулируемого однотактного преобразователя 2, в первом выпрямительном диоде 8 и в элементах выходного фильтра 4 на частоте преобразования, задаваемой управляемым релаксационным генератором 3, существенно меньше, чем на основной частоте преобразования, поскольку коэффициент заполнения импульсов управляемого релаксационного генератора 3 в десятки раз меньше, чем коэффициент заполнения на основной частоте преобразования при ШИМ-регулировании.

Кроме того, при пропадании сетевого напряжения или снижения его ниже допустимого уровня управляемый релаксационный генератор 3 или полностью прекращает формирование управляющих импульсов для регулируемого однотактного преобразователя 2, или снижает частоту и длительность управляющих импульсов для регулируемого однотактного преобразователя 2 до таких пределов, при которых вырабатываемый регулируемым однотактным преобразователем 2 через второй выпрямительный диод 9, дополнительный фильтр 6 и компенсационный стабилизатор 7 уровень напряжения для питания системы 10 управления и защиты исключает для последней возможности вырабатывать импульс управления для регулируемого однотактного преобразователя 2. При возвращении параметров сети в допустимые пределы управляемый релаксационный генератор 3 начнет вырабатывать управляющие импульсы с необходимой частотой и длительностью для регулируемого однотактного преобразователя 2, который обеспечит требуемую мощность электропитания для системы 10 управления и защиты, которая начнет процесс плавного вывода стабилизированного преобразователя в номинальный режим работы как описано выше.

Управляемый релаксационный генератор 3 может быть выключен либо статическим нулевым сигналом, поступающим по цепи - вход дистанционного управления 41 устройства - четвертый буферный элемент НЕ 36 - второй вход третьего элемента И 34 - вход управления 42 управляемого релаксационного генератора 3, либо импульсными нулевыми сигналами, поступающими по цепи - выход усилителя мощности 19 - третий буферный элемент 35 - первый вход третьего элемента И 34 - вход управления 42 управляемого релаксационного генератора 3, поскольку период следования импульсов управления на выходе усилителя 19 в несколько раз меньше постоянной времени времязадающей цепи из первого конденсатора 55 и первого резистора 43 управляемого релаксационного генератора 3.

Поскольку фактически качество и надежность электропитания для системы 10 управления и защиты при запуске и аварийных режимах определяются управляемым релаксационным генератором 3, рассмотрим подробнее работу последнего.

Управляемый релаксационный генератор 3 работает следующим образом.

При включении устройства напряжение сети, выпрямленное и сглаженное сетевым выпрямителем 1 с фильтром, подается с силового входа 37 управляемого релаксационного генератора на времязадающую цепь, образованную первым резистором 43 и первым конденсатором 55. Параметры этой цепи в основном определяют период следования импульсов на выходе 38 управляемого релаксационного генератора 3. Первый конденсатор 55 начинает практически линейно, так как фактически работает на небольшом начальном участке заряда по сравнению с приложенным к первому резистору 43 напряжением, заряжаться и напряжение с него поступает параллельно на пороговый элемент, образованный третьим резистором 45, первым стабилитроном 50 и третьим транзистором 54. При достижении на первом конденсаторе 55 заданного первым стабилитроном 50 уровня, который, собственно, определяет амплитуду импульсов на выходе 38 управляемого релаксационного генератора 3, откроется третий транзистор 54 и через пятый резистор 47 с небольшой задержкой, определяемой вторым конденсатором 56 и необходимой для надежного отпирания первого транзистора 52, откроет последний.

В свою очередь, открытый первый транзистор 52 через резистивный делитель, образованный вторым 44 и седьмым 49 резисторами, отпирает второй транзистор 53, который, разряжая первый конденсатор 55, с одной стороны обеспечивает самоподхват своего насыщенного состояния через шестой резистор 48, второй стабилитрон 51 и первый транзистор 52, а с другой собственно формирует импульсы на выходе 38 управляемого релаксационного генератора 3. При спаде напряжения на первом конденсаторе 55 до уровня, при котором запирается второй стабилитрон 51, а затем, соответственно, запираются первый 52 и второй 53 транзисторы, прекращается формирование импульса на выходе 38 управляемого релаксационного генератора 3. Первый конденсатор 55 начинает вновь заряжаться, как описано выше, для подготовки второго импульса управления на выходе 38 управляемого релаксационного генератора 3. Вышеописанный процесс будет продолжаться циклически до тех пор, пока будет напряжение на силовом входе 37 релаксационного генератора 3, а на входе управления 42 управляемого релаксационного генератора 3 не будет статического нулевого сигнала или последовательности нулевых импульсов.

При наличии с выхода третьего элемента И 34, выполненного, например, по схеме с открытым коллектором, статического нулевого сигнала либо последовательности нулевых импульсов (период следования нулевых импульсов должен быть меньше периода повторения собственных импульсов управляемого релаксационного генератора 3, что всегда имеется при штатных режимах работы устройства) на входе управления 42 управляемого релаксационного генератора 3 первый конденсатор 55 либо перестает заряжаться совсем, либо не в полной мере, и, соответственно прекращается выработка импульсов в управляемом релаксационном генераторе 3.

Источники информации
1. US 1577017 A1, 07.07.1990.

2. RU 2024171 C1, 30.11.1994.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Для повышения надежности при выходе в установившийся режим после подключения устройства к сети, что является техническим результатом, в известное устройство, содержащее сетевой выпрямитель с фильтром, регулируемый однотактный преобразователь на два выхода, два выпрямительных диода с включением в прямом направлении, выходной фильтр, компенсационный стабилизатор напряжения, систему управления и защиты, два RS-триггера, два элемента И, усилитель мощности, датчик напряжения, узел мягкого запуска, генератор опорного тока, узел суммирования сигналов управления, генератор постоянного тока, два интегратора, два разделительных диода, цепь сброса, пороговый элемент с гистерезисом, второй пороговый элемент, одновибратор, два буферных элемента НЕ, введены управляемый релаксационный генератор, а система управления и защиты снабжена третьим и четвертым буферными элементами НЕ, третьим элементом И на два входа, элементом ИЛИ на два входа. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения с защитой, содержащий сетевой выпрямитель с фильтром, подключенный выходом к силовому входу регулируемого однотактного преобразователя на два выхода, первый выход которого через первый выпрямительный диод, включенный в прямом направлении, подключен к входу выходного фильтра, предназначенного для подключения к нагрузке, второй выход регулируемого однотактного преобразователя через второй выпрямительный диод, включенный в прямом направлении, подключен к входу дополнительного фильтра, выход которого подключен к входу компенсационного стабилизатора напряжения, выход компенсационного стабилизатора напряжения подсоединен к выводу электропитания системы управления и защиты, включающую в себя датчик тока, входом подключенный к силовому входу регулируемого однотактного преобразователя, а выходом подключенный к входу первого порогового элемента, выходом подключенного к R-входу первого RS-триггера, второй RS-триггер, первый и второй элементы И, усилитель мощности, датчик напряжения, узел мягкого запуска, генератор опорного тока, узел суммирования сигналов управления, генератор постоянного тока, два интегратора, два разделительных диода, цепь сброса, второй пороговый элемент, пороговый элемент с гистерезисом, одновибратор, два буферных элемента НЕ, причем вход датчика напряжения предназначен для подключения к нагрузке, выходы генератора опорного тока, датчика напряжения и узла мягкого запуска подключены к входам узла суммирования управляющих сигналов, выход которого подключен к входу первого интегратора, выход генератора постоянного тока подключен к входу второго интегратора, входы сброса первого и второго интеграторов подключены соответственно через первый и второй разделительные диоды к выходу цепи сброса, вход которой подключен к выходу второго RS-триггера, выход первого интегратора подключен к входу порогового элемента с гистерезисом, выход второго интегратора подсоединен к входу второго порогового элемента, выход порогового элемента с гистерезисом подключен к первому входу первого элемента И, к инверсным S-входам первого и второго RS-триггеров, к первому входу второго элемента И, выход второго порогового элемента соединен со вторым входом второго элемента И, выход которого подключен к R-входу второго RS-триггера, выход первого RS-триггера подсоединен к второму входу первого элемента И, выход которого подключен к входу усилителя мощности, вход одновибратора подключен к выходу первого RS-триггера, выход одновибратора подсоединен к первому инверсному входу сброса узла мягкого запуска, вход дистанционного управления устройства соединен через первый буферный элемент НЕ со вторым инверсным входом сброса узла мягкого запуска и через второй буферный элемент НЕ с третьим входом первого элемента И, отличающийся тем, что в устройство введен управляемый релаксационный генератор, а система управления и защиты снабжена третьим и четвертым буферными элементами НЕ, третьим элементом И на два входа, элементом ИЛИ на два входа, причем силовой вход управляемого релаксационного генератора подключен к выходу сетевого выпрямителя с фильтром, а выход управляемого релаксационного генератора подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу регулируемого однотактного преобразователя, выход усилителя мощности подключен к второму входу элемента ИЛИ и к входу третьего буферного элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, вход дистанционного управления устройства соединен через четвертый буферный элемент НЕ со вторым входом третьего элемента И, выход которого подключен к входу управления управляемого релаксационного генератора. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что управляемый релаксационный генератор снабжен семью резисторами, двумя конденсаторами, двумя стабилитронами и тремя транзисторами, причем одной из обкладок первый и второй конденсаторы, эмиттер первого транзистора n-p-n-типа, анод первого стабилитрона подсоединены к общей шине управляемого релаксационного генератора, другой обкладкой первый конденсатор подключен к входу управления управляемого релаксационного генератора, к эмиттерам второго и третьего транзисторов p-n-p типа, через первый резистор к силовому входу управляемого релаксационного генератора, через второй резистор к базе второго транзистора и через третий резистор к базе третьего транзистора, другой обкладкой второй конденсатор подключен к аноду второго стабилитрона, к базе первого транзистора, через четвертый резистор к общей шине управляемого релаксационного генератора и через пятый резистор к коллектору третьего транзистора, коллектор второго транзистора подключен через шестой резистор к катоду второго стабилитрона и подсоединен к выходу управляемого релаксационного генератора, база второго транзистора подключена через седьмой резистор к коллектору первого транзистора, а катод первого стабилитрона подключен к базе третьего транзистора.