СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G05F1/20 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной электротехнике, и может быть использовано, например, в устройствах электропитания для стабилизации выходного переменного напряжения.

Известны стабилизаторы переменного напряжения (см. патент РФ 2109322, М. Кл. 6: G 05 F 1/20), которые содержат автотрансформатор с основной обмоткой, m вольтодобавляющих и n вольтовычитающих дополнительных обмоток, а также управляемые ключи, число которых равно n+m+1.

Недостатком устройства является большое число дополнительных секций: имеются отдельные дополнительные секции вольтодобавляющие и вольтовычитающие, большое число ключей и высокие массогабаритные показатели, т.к. напряжение сети не зависимо от величины подается только на основную и вольтовычитающие обмотки.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для стабилизации переменного напряжения (см. "Полезные схемы для радиолюбителей" А.Н. Евсеев M. Солон Р., 1999, с. 196-203), содержащее трансформатор с основной, дополнительными и измерительной обмотками, начало основной обмотки является входным и выходным зажимами стабилизатора, источник питания и эталонного напряжения, двухполупериодный выпрямитель с RC-фильтром на выходе, компараторы напряжения с положительной обратной связью, инвертирующие входы которых через резисторы соединены с источником эталонного напряжения, а неинвертирующие входы также через резисторы подключены к выходу RC-фильтра, транзисторные усилители, электромагнитные реле с перебрасывающимися контактами, логические элементы "И" и "ИЛИ".

Недостатками устройства являются низкая надежность, так как при наличии N дополнительных обмоток стабилизатор содержит (N+2) реле и ток нагрузки стабилизатора не зависимо от величины напряжения сети всегда проходит одновременно через (N+2) контакта реле, сложность в изготовлении и настройке: стабилизатор содержит 2N компараторов, каждый из которых настраивается на свой порог срабатывания. К недостаткам следует отнести наличие логических элементов и высокие массогабаритные показатели, так как основная обмотка трансформатора рассчитывается на максимально возможное напряжение сети.

Технический результат изобретения выражается в повышении надежности работы стабилизатора переменного напряжения и упрощении устройства.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом стабилизаторе переменного напряжения, содержащем трансформатор с основной, дополнительными и измерительной обмотками, начало основной обмотки которого является входным и выходным зажимами стабилизатора, источник питания и эталонного напряжения, двухполупериодный выпрямитель с RC-фильтром на выходе, компараторы напряжения, инвертирующие входы которых через резисторы соединены с источником эталонного напряжения, а неинвертирующие входы также через резисторы подключены к выходу RC-фильтра, по меньшей мере один из компараторов имеет положительную обратную связь, транзисторные усилители, электромагнитные реле с переключающими контактами, согласно изобретению при числе дополнительных обмоток, равном N, он содержит (N+1) электромагнитное реле и столько же компараторов, основная и дополнительные обмотки соединены последовательно: к концу основной обмотки подключено начало первой дополнительной обмотки, к концу каждой k-й дополнительной обмотки, где k=1, 2,..., N-1, подключено начало (k+1)-й дополнительной обмотки и нормально замкнутый контакт k-го реле, к концу N-й дополнительной обмотки подключен нормально замкнутый контакт N-го реле, к концу основной обмотки подключен нормально разомкнутый контакт первого реле и нормально замкнутый контакт (N+1)-го реле, нормально разомкнутый контакт которого подключен к концу N-й дополнительной обмотки, а переключающий контакт этого же реле является вторым входным зажимом стабилизатора, переключающий контакт каждого k-го реле соединен с нормально разомкнутым контактом (k+1)-го реле, переключающий контакт N-го реле является вторым выходным зажимом стабилизатора, выходы компараторов соединены с входами транзисторных усилителей.

Последовательное соединение основной и N дополнительных обмоток и подключение нормально замкнутого контакта (N+1)-го реле к концу основной обмотки, а нормально разомкнутого контакта к концу N-й дополнительной обмотки и использование переключающего его контакта в качестве входного зажима стабилизатора позволяет с помощью одних переключающих контактов этого реле сделать дополнительные обмотки как вольтодобавляющими, так и вольтовычитающими; снизить массогабаритные показатели трансформатора, так как напряжение сети может подаваться не только на его основную обмотку, но и на все дополнительные обмотки, включенные последовательно с основной; снизить число компараторов, так как при переключении (N+1)-го реле одновременно изменяется коэффициент трансформации напряжения измерительной обмотки, а пороги срабатывания компараторов необходимы прежние. При этом не требуются дополнительные логические элементы.

Подключение к концу каждой k-й дополнительной обмотки, где k=1, 2,..., N-1, нормально замкнутого контакта k-го реле, к концу N-й дополнительной обмотки - нормально замкнутого контакта N-го реле, а к концу основной обмотки - нормально разомкнутого контакта первого реле, позволяет повысить надежность стабилизатора, так как ток нагрузки стабилизатора в зависимости от напряжения сети может проходить только через контакты двух реле: реле N и (N+1).

Предлагаемый стабилизатор переменного напряжения обладает новизной и изобретательским уровнем, так как при проведении поиска по источникам патентной и научно-технической документации заявителями не выявлены известные технические решения, в которых бы в стабилизаторе переменного напряжения, содержащем трансформатор с основной обмоткой и числом дополнительных обмоток, равным N, которые были бы соединены последовательно: к концу основной обмотки было бы подключено начало первой дополнительной обмотки, к концу каждой k-й дополнительной обмотки, где k=1, 2,..., N-1, было бы подключено начало (k+1)-й дополнительной обмотки. Не выявлены также решения, в которых стабилизатор содержал бы (N+1) реле и столько же компараторов, к концу каждой k-й дополнительной обмотки был бы подключен нормально замкнутый контакт k-го реле, к концу N-й дополнительной обмотки был бы подключен нормально замкнутый контакт N-го реле, к концу основной обмотки подключен нормально разомкнутый контакт первого реле и нормально замкнутый контакт (N+1)-го реле, нормально разомкнутый контакт которого подключен к концу N-й дополнительной обмотки, а переключающий контакт этого же реле является вторым входным зажимом стабилизатора, переключающий контакт каждого k-го реле был бы соединен с нормально разомкнутым контактом (k+1)-го реле, переключающий контакт N-го реле являлся бы вторым выходным зажимом стабилизатора, входы компараторов соединены с входами транзисторных усилителей.

Предлагаемый стабилизатор переменного напряжения применим в преобразовательной электротехнике, электромеханике, например в устройствах электропитания для стабилизации выходного переменного напряжения, следовательно, он обладает промышленной применимостью.

Сущность заявляемого стабилизатора переменного напряжения поясняется схемой и графиком.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого стабилизатора переменного напряжения. На фиг.2 изображены графики напряжения на выходных зажимах стабилизатора и напряжения измерительной обмотки трансформатора при изменении напряжения питающей сети.

Стабилизатор переменного напряжения содержит трансформатор 1 с основной 2, N дополнительными 3.1, 3.2,..., 3.N и одной измерительной 4 обмотками. Измерительная обмотка является датчиком напряжения сети и подключена к выпрямителю 5 с RC-фильтром нижних частот 6 на выходе. Стабилизатор содержит также источник питания 7 и источник эталонного напряжения 8, компараторы напряжений 9.1, 9.2,..., 9.N+1, инвертирующие входы которых через резисторы 10 соединены с источником эталонного напряжения 8, а неинвертирующие входы через резисторы 11 подключены к RC-фильтру 6. Выходы компараторов 9.1, 9.2,. . . , 9.N+1 через транзисторные усилители 12 подключены к катушкам электромагнитных реле 13.1, 13.2,..., 13.N+1. Основная 2 и дополнительные 3.1, 3.2, . . . , 3. N обмотки соединены последовательно: к концу основной обмотки 2 подключено начало первой дополнительной обмотки 3.1, к концу первой дополнительной обмотки 3.1 подключено начало второй дополнительной обмотки 3.2 и так далее, к концу (N-1)-й дополнительной обмотки 3.N-1 подключено начало N-й дополнительной обмотки 3.N, к концу первой дополнительной обмотки 3.1 подключен нормально замкнутый контакт первого реле 13.1, к концу второй дополнительной обмотки 3.2 подключен нормально замкнутый контакт второго реле 13.2, и так далее, к концу N-й дополнительной обмотки 3.N подключен нормально замкнутый контакт N-го реле 13.N, к концу основной обмотки 2 подключен нормально разомкнутый контакт первого реле 13.1 и нормально замкнутый контакт (N+1)-го реле 13.N+1, нормально разомкнутый контакт которого соединен с концом N-й дополнительной обмоткой 3.N, а переключающий контакт этого же реле является вторым выходным зажимом стабилизатора, переключающий контакт первого реле 13.1 соединен с нормально разомкнутым контактом второго реле 13.2, переключающий контакт второго реле 13.2 соединен с нормально разомкнутым контактом третьего реле 13.3 и так далее, переключающий контакт (N-1)-го реле 13. N-1 соединен с нормально разомкнутым контактом N-го реле 13.N, переключающий контакт N-го реле 13.N является вторым выходным зажимом стабилизатора, выходы компараторов 9.1, 9.2,..., 9.N+1 через транзисторные усилители 12 подключены к катушкам реле 13.1, 13.2,...,13.N+1.

Стабилизатор переменного напряжения работает следующим образом. При изменении напряжения питающей сети U_c от минимального U_cmin до максимального U_cmax значения (фиг.2) напряжение на выходных зажимах стабилизатора U_вых за счет переключения с помощью реле дополнительных обмоток трансформатора поддерживается в допустимых для электропотребителя пределах, ограниченных минимально и максимально допустимыми значениями U_min и U_max соответственно. Значения напряжений сети, при которых происходит переключение дополнительных обмоток трансформатора, определяется выражением U_i = (U_min/U_max)ⁱ U_min, где i = N, N-1,..., - N; N - число дополнительных обмоток. Напряжение с измерительной обмотки 4 поступает на выпрямитель 5 с RC-фильтром низких частот 6 на выходе и через резисторы 11 подается на неинвертирующие входы компараторов 9.1, 9.2,..., 9.N+1. Это напряжение сравнивается с пороговыми напряжениями U_п1, U_п2,..., U_пN, поступающими на инверсные входы компараторов 9.1, 9.2,..., 9.N+1 от источника эталонного напряжения 8 через резисторные делители 10. Компараторы 9.1, 9.2,..., 9.N, у которых напряжение на инвертирующем входе меньше, чем напряжение на неинвертирующем входе, имеют на выходе напряжение высокого логического уровня. Компаратор 9.N+1 за счет положительной обратной связи имеет два порога переключения. Порог срабатывания равен U_п1, а порог возврата равен U_пn+1 (фиг.2). Напряжение высокого логического уровня отпирает соответствующий транзистор 12. Через открытый транзистор и соединенную с ним катушку реле под действием напряжения источника питания 7 протекает ток. Нормально разомкнутые контакты данного реле находятся в замкнутом состоянии. При напряжении сети U_с, находящемся в диапазоне U_сmin < U_c < U_n-1 (фиг.2), напряжение U_и, поступающее с измерительной обмотки 4 через выпрямитель 5 и фильтр низких частот 6 на неинверсные входы компараторов 9.1, 9.2,..., 9.N+1, находится в диапазоне U_пN+1 < U_и < U_иN. Величина этого напряжения не превышает ни одно из пороговых напряжений срабатывания компараторов 9.1, 9.2,..., 9.N+1. Контакты всех реле находятся в исходном состоянии, как показано на фиг.2, и к выходным зажимам стабилизатора прикладывается напряжение основной 2 и всех дополнительных обмоток 3.1, 3.2,..., 3.N трансформатора. При увеличении напряжения сети до величины U_N-2 напряжение U_и становится больше напряжения порога срабатывания U_иN компаратора 9. N. Напряжение на выходе компаратора отпирает соответствующий транзистор 12, и через катушку реле 13.N протекает ток. Контакты данного реле переключаются, и к выходным зажимам стабилизатора прикладывается напряжение основной 2 и дополнительных обмоток 3.1,3.2,..., 3.N-1 трансформатора. Напряжение дополнительной обмотки 3.N исключается. При дальнейшем увеличении напряжения сети до величины U_min аналогично происходит поочередное переключение контактов реле 13.N-1, 13.N-2,...,13.2 и удержание на выходных зажимах стабилизатора напряжения U_вых в диапазоне U_min < U_вых < U_max. При напряжении сети, равном U_min, напряжение U_и становится равным порогу срабатывания U_пN+1 компаратора 9.N+1, реле 13.N+1 переключается. Напряжение сети подается на основную 2 и все дополнительные обмотки 3.1, 3.2,..., 3.N. Напряжение U_и снижается до величины U_пN+1. Это происходит за счет изменения коэффициента трансформации напряжения измерительной обмотки, равного при U_с < U_cmin отношению числа витков измерительной обмотки 4 к числу витков основной обмотки, а при U_с > U_cmin отношению числа витков измерительной обмотки 4 к сумме чисел витков основной 2 и дополнительных обмоток 1, 2, 3,..., 3.N. Компараторы 9.1, 9.2, ..., 9.N и, следовательно, реле 13.1, 13.2,..., 13.N возвращаются в исходное состояние, и на выходные зажимы стабилизатора подается напряжение, равное напряжению сети. При дальнейшем увеличении напряжения сети происходит аналогичное поочередное переключение реле и отключение дополнительных обмоток 3.N, 3.N-1,..., 3.1 трансформатора.

Для правильной работы схемы стабилизатора наличие положительной обратной связи у компаратора 9.N+1, обеспечивающей строго определенную петлю гистерезиса, обязательно, так как при его переключении изменяется сигнал измерительной обмотки. При правильно выбранной петле гистерезиса это не должно вызывать обратного переключения компаратора. Компараторы же 9.1, 9.2,..., 9.N могут быть также выполнены с положительной обратной связью, но уже с другой целью: с целью обеспечения их устойчивой работы вблизи границы напряжений переключения.

Предлагаемый стабилизатор переменного напряжения по сравнению с прототипом позволяет
- повысить надежность в работе;
- снизить массогабаритные показатели;
- упростить устройство электропитания.

Все элементы стабилизатора могут быть практически выполнены с использованием элементарных радиотехнических деталей.

Стабилизатор может быть применен для стабилизации напряжения питания сложной бытовой, офисной и промышленной техники.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах электропитания для стабилизации выходного переменного напряжения. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности работы стабилизатора, упрощение его устройства, снижение массогабаритных показателей. Технический результат достигается тем, что стабилизатор переменного напряжения содержит трансформатор с основной, дополнительными и измерительной обмотками. Начало основной обмотки является входным и выходным зажимами стабилизатора. Стабилизатор также содержит источник питания и эталонного напряжения, двухполупериодный выпрямитель с RC-фильтром на выходе, компараторы напряжения, инвертирующие входы которых через резисторы соединены с источником эталонного напряжения, а неинвертирующие входы также через резисторы подключены к выходу RC-фильтра. По меньшей мере один из компараторов имеет положительную обратную связь. Стабилизатор также содержит транзисторные усилители, электромагнитные реле с переключающими контактами. Новизна заключается в том, что стабилизатор при числе дополнительных обмоток, равном N, содержит N+1 реле и столько же компараторов. Основная и дополнительные обмотки соединены последовательно: к концу основной обмотки подключено начало первой дополнительной обмотки, к концу каждой k-й дополнительной обмотки, где k=l, 2,..., N-1, подключено начало (k+1)-й дополнительной обмотки и нормально замкнутый контакт k-гo реле, к концу N-й дополнительной обмотки подключен нормально замкнутый контакт N-гo реле, к концу основной обмотки подключен нормально разомкнутый контакт первого реле и нормально замкнутый контакт (N+1)-го реле, нормально разомкнутый контакт которого подключен к концу N-й дополнительной обмотки. Переключающий контакт этого же реле является вторым входным зажимом стабилизатора, переключающий контакт каждого k-го реле соединен с нормально разомкнутым контактом (k+l)-гo реле, переключающий контакт N-гo реле является вторым выходным зажимом стабилизатора. Выходы компараторов соединены с входами транзисторных усилителей. 2 ил.

Стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор с основной, дополнительными и измерительной обмотками, начало основной обмотки является одним из входных и одновременно одним из выходных зажимов стабилизатора, источник питания и эталонного напряжения, двухполупериодный выпрямитель с RC-фильтром на выходе, компараторы напряжения, инвертирующие входы которых через резисторы соединены с источником эталонного напряжения, а неинвертирующие входы также через резисторы подключены к выходу RC-фильтра, один из компараторов имеет положительную обратную связь, транзисторные усилители, электромагнитные реле с переключающимися контактами, отличающийся тем, что при числе дополнительных обмоток, равном N, он содержит N+1 электромагнитных реле и столько же компараторов, при этом (N+1)-й компаратор имеет положительную обратную связь, основная и дополнительные обмотки соединены последовательно: к концу основной обмотки подключено начало первой дополнительной обмотки, к концу каждой k-й дополнительной обмотки, где k=1, 2, . .., N-1, подключено начало (к+1)-й дополнительной обмотки и нормально замкнутый контакт k-гo реле, к концу N-й дополнительной обмотки подключен нормально замкнутый контакт N-го реле, к концу основной обмотки подключен нормально разомкнутый контакт первого реле и нормально замкнутый контакт (N+1)-го реле, нормально разомкнутый контакт которого подключен к концу N-й дополнительной обмотки, а переключающий контакт этого же реле является вторым входным зажимом стабилизатора, переключающий контакт каждого k-гo реле соединен с нормально разомкнутым контактом (k+1)-гo реле, переключающий контакт N-го реле является вторым выходным зажимом стабилизатора, выходы компараторов через соответствующие транзисторные усилители подключены к катушкам реле.