РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК G05F1/44 

Данная группа изобретений относится к области преобразования электроэнергии, в частности к трем вариантам импульсных регулируемых преобразователей напряжения в переменный ток.

Преимущественной областью использования преобразователя является применение его в качестве регулируемого стабилизированного источника переменного импульсного тока для запитки нагрузок переменным током, имеющих как линейную, так и изменяющуюся нелинейную пороговую вольтамперную характеристику, например, газоразрядных приборов, в том числе люминесцентных ламп, различных светильников бытового и специального назначения, особенно устройств, требующих большого диапазона регулировки яркости свечения, например, источников подсветки жидкокристаллического цветного дисплея, работающего при больших изменениях внешней освещенности, температуры и давления, а также устройств световой "накачки" лазеров, стробоскопов, искровых разрядников и т.п.

Широко известна группа регулируемых преобразователей напряжения в импульсный ток или постоянное напряжение, состоящая из трех основных типов, получивших названия: понижающий и "прямоходовой" на его основе, повышающий, инвертирующий и "обратноходовой" на его основе [1]. Данная группа регулируемых преобразователей является наиболее близкой к заявляемому решению по технической сущности, состоящей в накоплении энергии в индуктивности намагничивания одно- или многообмоточного дросселя в течение импульса, при одновременной передаче или без передачи ее в нагрузку, и последующем возврате в паузе накопленной энергии в виде импульсов тока в нагрузку.

В силу того, что все три типа регулируемых преобразователей напряжения не могут быть охвачены одним общим пунктом формулы, каждый из них выбран в качестве наиболее близкого аналога к соответствующему варианту заявляемого технического решения.

Наиболее близким по технической сущности аналогом к первому варианту заявляемого технического решения является регулируемый преобразователь напряжения, содержащий управляемый источник импульсного напряжения, к выводам которого подсоединен имеющий возможность открывания в паузе и закрывания в импульсе управляемого источника импульсного напряжения ключ рекуперации, к выводам которого подсоединены через дроссель выводы для подключения нагрузки. При этом управляющий вход источника импульсного напряжения соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностями импульса и паузы на его выходе, в результате действия сигналов управления и обратной связи, имеет возможность регулирования и стабилизации требуемого параметра электрического режима нагрузки, например, тока нагрузки [2].

Наиболее близким по технической сущности аналогом ко второму варианту заявляемого технического решения является регулируемый преобразователь напряжения, содержащий источник напряжения, к выводам которого подключена последовательная цепь, состоящая из дросселя и регулирующего ключа, параллельно которому подсоединены выводы для подключения нагрузки. При этом управляющий вход регулирующего ключа соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностями открытого и закрытого состояний регулирующего ключа, в результате действия сигналов управления и сигнала обратной связи, имеет возможность регулирования и стабилизации требуемого параметра электрического режима нагрузки, например, тока нагрузки [3].

Наиболее близким по технической сущности аналогом к третьему варианту заявляемого технического решения является регулируемый преобразователь напряжения, содержащий управляемый источник импульсного напряжения, к выводам которого подключен дроссель, параллельно которому подсоединены выводы для подключения нагрузки. При этом управляющий вход указанного источника импульсного напряжения соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностями импульса и паузы на его выходе, в результате действия сигнала управления и сигнала обратной связи, имеет возможность регулирования и стабилизации требуемого параметра электрического режима нагрузки преобразователя, например, тока нагрузки, причем нагрузка подключена параллельно дросселю непосредственным, автотрансформаторным или трансформаторным способом [4]. При низкоимпедансной нагрузке она подключается через ключ рекуперации с возможностью открывания в паузе и закрывания в импульсе управляемого источника импульсного напряжения.

Недостатком известной группы преобразователей напряжения является ограниченная область их применения, а именно, непригодность в существующем виде для запитки нагрузок переменного тока, например, газоразрядных ламп, из-за несимметрии формы выходного тока относительно временной оси, приводящей к сокращению срока службы указанных нагрузок. Несимметрия формы выходного тока вызвана тем, что в существующем виде известная группа преобразователей напряжения способна работать только при одном направлении тока и магнитного потока в дросселе с перемагничиванием его сердечника по частной петле гистерезиса, что снижает габаритную мощность дросселя и увеличивает габаритно-массовые характеристики и стоимость дросселя [5].

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание группы регулируемых преобразователей напряжения, имеющих структуры наиболее близких аналогов, но работающих, в отличие от них, на переменном токе дросселя и имеющих симметричную относительно временной оси форму выходного тока в нагрузке, предназначенных для запитки нагрузок, работающих на переменном токе, критичных к несимметрии формы выходного тока относительно временной оси.

Технический результат выражается в создании указанных групп преобразователей, применение которых способствует увеличению сроков службы нагрузок, работающих на переменном токе. Кроме того, значительно снижаются габаритно-массовые характеристики дросселя и стоимость преобразователей.

Для решения указанной задачи в регулируемый преобразователь напряжения, содержащий управляемый источник импульсного напряжения, к выводам которого подсоединен имеющий возможность открывания в паузе и закрывания в импульсе управляемого источника импульсного напряжения, ключ рекуперации, к выводам которого подсоединены через дроссель выводы для подключения нагрузки, при этом управляющий вход источника импульсного напряжения соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностями импульса и паузы на его выходе в результате действия сигналов управления и обратной связи имеет возможность регулирования и стабилизации требуемого параметра электрического режима нагрузки, например, тока нагрузки, введены следующие изменения: управляемый источник импульсного напряжения выполнен в виде управляемого источника переменного импульсного напряжения, ключ рекуперации - в виде ключа рекуперации переменного тока, устройство управления - с возможностью указанного управления поочередно в положительных и отрицательных полуволнах напряжения.

Другим отличием заявляемого технического решения по первому варианту, в одном случае, является то, что управляемый источник переменного импульсного напряжения состоит из источника переменного напряжения, форма выходного сигнала которого имеет вид периодической функции, симметричной относительно временной оси, а его полуволны имеют прямоугольную, трапецеидальную, синусоидальную или иную, тому подобную, форму регулирующего ключа переменного тока, соединенного последовательно с одним из выводов источника переменного напряжения, а один из выводов источника переменного напряжения связан со входом синхронизации устройства управления.

В другом случае, управляемый источник переменного импульсного напряжения состоит из источника постоянного напряжения и соединенного с ним последовательно регулируемого инвертора, управляющие входы которого являются управляющими входами указанного источника переменного импульсного напряжения, ключ рекуперации переменного тока выполнен, например, управляемым и его управляющий вход соединен с инверсным выходом устройства управления.

В регулируемый преобразователь напряжения по второму варианту, содержащий источник напряжения, к выводам которого подключена последовательная цепь, состоящая из дросселя и регулирующего ключа, параллельно которому подсоединены выводы для подключения нагрузки, а управляющий вход регулирующего ключа соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностями открытого и закрытого состояний регулирующего ключа в результате действия сигнала управления и сигнала обратной связи имеет возможность регулирования и стабилизации требуемого параметра электрического режима нагрузки, например, тока нагрузки, введены источник напряжения, являющийся источником переменного напряжения, форма выходного сигнала которого имеет вид периодической функции, симметричной относительно временной оси, регулирующий ключ, выполненный в виде регулирующего ключа переменного тока, устройство управления - с возможностью указанного управления поочередно в положительных и отрицательных полуволнах напряжения, а один из выводов источника переменного напряжения соединен со входом синхронизации устройства управления.

В регулируемый преобразователь напряжения по третьему варианту, содержащий управляемый источник импульсного напряжения, к выводам которого подключен дроссель, параллельно которому подсоединены выводы для подключения нагрузки, а управляющий вход указанного источника импульсного напряжения соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностью импульса и паузы на его выходе, в результате действия сигнала управления и сигнала обратной связи, имеет возможность регулирования и стабилизации требуемого параметра электрического режима нагрузки, например, тока нагрузки, введены управляемый источник импульсного напряжения, выполненный в виде управляемого источника переменного импульсного напряжения, устройство управления - с возможностью указанного управления поочередно в положительных и отрицательных полуволнах напряжения.

Другим отличием заявляемого технического решения является то, что управляемый источник переменного импульсного напряжения, в одном случае, состоит из источника переменного напряжения, форма выходного сигнала которого имеет вид периодической функции, симметричной относительно временной оси, и регулирующего ключа переменного тока, соединенного последовательно с одним из выводов источника переменного напряжения, а один из выводов источника переменного напряжения соединен со входом синхронизации устройства управления.

Следующим отличием заявляемого технического явления является то, что управляемый источник переменного импульсного напряжения, в другом случае, состоит из источника постоянного напряжения и соединенного с ним последовательно регулируемого инвертора, управляющие входы которого являются управляющими входами указанного источника переменного напряжения, регулирующие ключи инвертора выполнены, например, с возможностью односторонней проводимости в открытом и двусторонней блокировки в закрытом состоянии, а дроссель выполнен с возможностью совмещения функций дросселя и выходного трансформатора регулирующего инвертора.

Кроме того, дроссель содержит одну обмотку с отводами для подключения нагрузки.

Еще одним отличием преобразователя напряжения по третьему варианту является то, что дроссель выполнен многообмоточным, при этом первичная обмотка намагничивания подключена к выводам инвертора, а выводы вторичной обмотки являются выводами для подключения нагрузки.

Следующим отличием заявляемого регулируемого преобразователя напряжения является то, что при подключении низкоимпедансной нагрузки он содержит ключ рекуперации переменного тока, один вывод которого соединен с выводом дросселя, другой предназначен для подсоединения нагрузки, причем ключ рекуперации имеет возможность открывания в паузе и закрывания в импульсе управляемого источника переменного импульсного напряжения; ключ рекуперации переменного тока выполнен управляемым, а его управляющий вход соединен с инверсным выходом устройства управления.

Дополнительными особенностями преобразователя является то, что вторичная обмотка дросселя, к которой подключена нагрузка, содержит дополнительные отводы для подключения нитей накала газоразрядных приборов, например, люминесцентных ламп низкого давления, а сигнал обратной связи, подаваемый на вход устройства управления, взят по мгновенному значению тока обмотки намагничивания дросселя, а в выходную цепь дросселя последовательно с дополнительными отводами вторичной обмотки включены терморезисторы.

Если управляемый источник переменного импульсного напряжения состоит из источника постоянного напряжения и соединенного с ним регулируемого инвертора, в котором необходимо использовать трансформатор, то во избежание избыточности его функции выполняет дроссель, включенный по схеме трансформатора. Например, в известной схеме инвертора со средней точкой, называемой еще схемой с нулевым выводом, обмотка намагничивания дросселя выполнена с отводом от середины, соединенным с одним из выводов источников постоянного напряжения. При этом концы указанной обмотки соединены с коллекторами (стоками) регулирующих транзисторов.

Для того, чтобы, при необходимости, регулируемый инвертор сохранял в паузе высокоимпедансное состояние выхода в большем диапазоне изменения ЭДС самоиндукции дросселя, регулирующие ключи инвертора выполнены с односторонней проводимостью в открытом и с двухсторонней блокировкой в закрытом состояниях.

На фиг.1, 3 и 5 представлены структурно-функциональные схемы, а на фиг. 2, 4 и 6 - временные диаграммы токов и напряжений, соответственно, для первого, второго и третьего вариантов заявляемого регулируемого преобразователя напряжения.

На фиг. 7 и 8 приведены два примера выполнения управляемого источника переменного импульсного напряжения в виде структурно-функциональных схем.

На фиг. 9 и 10 представлены два примера выполнения структурно-функциональных схем третьего варианта заявляемого преобразователя напряжения для случая подключения нагрузки трансформаторным способом.

Первый вариант регулируемого преобразователя напряжения (фиг.1) содержит управляемый источник переменного импульсного напряжения 1, к выходу которого (точки а и в) подсоединен ключ рекуперации переменного тока 2, к выводам которого через дроссель 3 подключена нагрузка 4. Кроме того, преобразователь содержит устройство управления 5, выход которого соединен с управляющим входом источника переменного импульсного напряжения 1, причем, в зависимости от назначения преобразователя, устройство управления имеет вход для сигнала управления Упр. и вход для сигнала обратной связи О.С., например, по току нагрузки (штриховые линии на фиг.1). Если ключ рекуперации 2 выполнен управляемым, то его управляющий вход соединен с инверсным выходом схемы управления.

Регулируемый преобразователь напряжения по первому варианту работает следующим образом. Пусть под действием очередного импульса с устройства управления 5 на выходе управляемого источника переменного импульсного напряжения 1 появится импульс положительной полярности (диаграмма U_ин на фиг.2). Ключ рекуперации переменного тока 2 одновременно закроется, например, под действием запирающего импульса с инверсного выхода устройства управления. В цепи, состоящей из индуктивности намагничивания дросселя 3 и нагрузки 4, при условии, что амплитуда импульса напряжения больше порогового напряжения нагрузки, начнет нарастать ток положительной полярности (диаграмма для I_др, I_н на фиг. 2). Энергия, потребляемая от источника напряжения 1 во время этого импульса, частично передается в виде импульса тока в нагрузку, а частично запасается в виде энергии магнитного поля в немагнитном зазоре сердечника дросселя. По истечении времени, определяемого величиной сигнала управления или/и сигнала обратной связи, под действием сигналов с устройства управления 5 закончится импульс напряжения положительной полярности на выходе управляемого источника переменного импульсного напряжения 1, и откроется ключ рекуперации переменного тока 2. Энергия, запасенная в дросселе 3, в виде импульса спадающего тока будет передаваться в нагрузку 4 через открытый ключ рекуперации 2 (диаграммы I_кр, I_др, I_н на фиг.2). По окончании паузы на выходе управляемого источника переменного импульсного напряжения 1 под действием сигналов с устройства управления 5 появится импульс напряжения отрицательной полярности и закроется ключ рекуперации переменного тока.

Описанный выше процесс повторится с той лишь разницей, что в нагрузке, дросселе, а затем и в ключе рекуперации будет протекать импульсный ток отрицательной полярности.

В левой части фиг. 2 показаны диаграммы для текущего (среднего), а в правой части - для максимального рекомендуемого значения соотношения длительностей импульса и паузы на входе управляемого источника переменного импульсного напряжения 1, стремящегося к единице, при условии, что длительность паузы на выходе управляемого источника 1 примерно равна трем постоянным времени, определяемой отношением индуктивности дросселя к сопротивлению нагрузки. Работа преобразователя с длительностью импульса, большей или равной трем постоянным времени, и длительностью паузы, меньшей трех постоянных времени, нецелесообразна. В первом случае в конце импульса рост тока, а значит и энергии, накапливаемой в дросселе, почти остановится, а сам ток будет ограничиваться, в основном, только сопротивлением нагрузки, что нежелательно, особенно при низкоомных и нелинейных нагрузках. Во втором случае ток в дросселе к концу паузы не успеет уменьшиться до нуля, и часть времени импульса будет тратиться на возврат части энергии дросселя в источник напряжения, а не в нагрузку, бесполезно нагружая регулирующий (-ие) ключ (-и) управляемого источника 1, что неизбежно ведет к снижению коэффициента полезного действия преобразователя. Форма импульсов переменного тока, протекающего через дроссель и нагрузку, зависит от формы импульсов напряжения на выходе источника переменного импульсного напряжения 1 и от характера нагрузки. На фиг.2 изображены временные диаграммы указанных токов и напряжений для наиболее характерного случая использования заявляемого преобразователя, а именно, в качестве регулируемого источника переменного импульсного тока для запитки газоразрядных люминесцентных ламп, т.е. в качестве регулируемого "электронного балласта". Форма выходных импульсов напряжения является прямоугольной, как наиболее часто встречающаяся на практике форма на выходе простых транзисторных инверторов. Так как импеданс газоразрядных люминесцентных ламп носит резистивно-нелинейный характер, то форма тока в индуктивно-резистивной цепи будет иметь вид экспоненты. Форма напряжения на указанной нагрузке незначительно отличается от формы тока в ней и поэтому не приводится на временных диаграммах.

Регулируемый преобразователь напряжения по второму варианту (фиг.3) содержит источник переменного напряжения 6, к выводам которого подключена последовательная цепь, состоящая из обмотки намагничивания дросселя 3 и регулирующего ключа переменного тока 7, параллельно которому подключается нагрузка 4. Кроме того, преобразователь содержит устройство управления 5, выход которого соединен с управляющим входом регулирующего ключа переменного тока, а вход синхронизации - с выводом источника переменного напряжения, соединенным с дросселем 3, для совпадения момента открывания регулирующего ключа с началом полуволн входного переменного напряжения. Устройство управления имеет также вход для сигнала управления Упр. и вход для сигнала обратной связи О.С. (штриховые линии на фиг.3).

Преобразователь по второму варианту в установившемся режиме работает следующим образом. В момент времени, совпадающий с началом очередной, например, положительной полуволны источника переменного напряжения 6 (диаграмма для U_ин на фиг.4), под действием импульса с устройства управления 5 откроется регулирующий ключ переменного тока 7. В цепи, состоящей из дросселя 3 и регулирующего ключа 7, начнет линейно нарастать ток положительной полярности (диаграммы для I_др и I_рк на фиг.4, соответственно). При этом в немагнитном зазоре дросселя будет увеличиваться запасаемая им энергия магнитного поля. По истечении времени, определяемого величиной сигнала управления или сигнала обратной связи, регулирующий ключ переменного тока 7 под действием сигнала с устройства управления 5 закроется, и энергия, запасенная в дросселе 3, в виде импульса, спадающего по экспоненте тока, будет передаваться в нагрузку по цепи: источник переменного напряжения, дроссель, нагрузка (диаграммы для I_др и I_н на фиг.4, соответственно). В момент начала отрицательной полуволны напряжения на выходе источника переменного напряжения 6 под действием импульса с устройства управления 5 снова откроется регулирующий ключ переменного тока 7, и описанный выше процесс повторится, отличаясь лишь тем, что сначала в дросселе и регулирующем ключе, а затем в дросселе и нагрузке будет протекать импульсный ток отрицательной полярности.

В левой части фиг.4 приведены временные диаграммы для текущего (среднего) значения соотношения длительностей открытого и закрытого состояний регулирующего ключа 7. Излом на экспоненте спадающего тока в дросселе и нагрузке в момент окончания импульса на выходе источника переменного напряжения 6 (в левой части фиг.4) вызван тем, что после закрывания регулирующего ключа до окончания указанного импульса напряжения, спадающий ток дросселя и нагрузки стремится к значению, определяемому отношением напряжения на выходе источника 7 к сопротивлению нагрузки, а после окончания - к нулю. В правой части фиг.4 изображены временные диаграммы для максимального рекомендуемого значения соотношения длительностей открытого и закрытого состояний. В отличие от первого варианта преобразователя напряжения, во втором варианте рекомендуется ограничивать снизу только время закрытого состояния регулирующего ключа. По причине, изложенной в описании работы первого варианты преобразователя, время закрытого состояния нецелесообразно делать меньше трех постоянных времени, которая равна отношению индуктивности дросселя к сопротивлению нагрузки.

Регулируемый преобразователь напряжения по третьему варианту (фиг.5) содержит управляемый источник переменного импульсного напряжения 1, к выводам которого (в точках а и в) подключена обмотка намагничивания одно- или многообмоточного дросселя 3, параллельно которому подключена нагрузка 4. Кроме того, преобразователь содержит устройство управления 5, выход которого соединен с управляющим входом источника переменного импульсного напряжения. Устройство управления имеет также вход для сигнала управления Упр. и вход для сигнала обратной связи О.С., например, по току нагрузки (штриховые линии на фиг.5). При этом нагрузка может быть подключена параллельно дросселю непосредственным, автотрансформаторным или трансформаторным способом. При необходимости исключения передачи энергии в нагрузку в импульсе управляемого источника переменного импульсного напряжения 1, например, при низкоимпедансной нагрузке, она подключается через ключ рекуперации (на фиг.5 не показан), открывающийся в паузе и закрывающийся в импульсе управляемого источника переменного импульсного напряжения 1 и включаемый в разрыв цепи в точке С.

Регулируемый преобразователь напряжения по третьему варианту работает следующим образом. Пусть под действием очередного импульса с устройства управления 5 на выходе управляемого источника переменного импульсного напряжения 1 появится импульс напряжения положительной полярности (верхняя диаграмма U_ин на фиг.6). Под действием этого импульса в обмотке намагничивания дросселя 3 будет линейно нарастать ток намагничивания положительной полярности (сплошная линия на диаграмме I_др), увеличивая энергию магнитного поля, которая запасается в немагнитном зазоре дросселя, а в нагрузке, при отсутствии ключа рекуперации, при резистивном ее характере, возникает импульс тока прямоугольной формы (штриховая линия на диаграмме I_н). При трансформаторном способе подключения нагрузки к току намагничивания дросселя добавится составляющая прямоугольной формы тока нагрузки, пересчитанного в обмотку намагничивания. Сумма этих токов показана штриховой линией на диаграмме I_др фиг. 6. По истечении времени, определяемого величиной сигнала управления и сигналом обратной связи, импульс напряжения положительной полярности на выходе управляемого источника переменного импульсного напряжения 1, под действием устройства управления 5, закончится, и энергия, запасенная в дросселе 3, в виде импульса, спадающего по экспоненте тока, будет подаваться в нагрузку 4. По окончании паузы, под действием следующего импульса с устройства управления 5, на выходе управляемого источника переменного импульсного напряжения 1 появится импульс напряжения отрицательной полярности, и описанный процесс повторится, отличаясь тем, что импульсные токи в дросселе и в нагрузке изменят свои направления на обратные.

В левой части фиг.6 приведены временные диаграммы для текущего (среднего), а в правой - для максимального рекомендуемого значения соотношения длительностей импульса и паузы на выходе управляемого источника переменного импульсного напряжения 1. Как и во втором варианте регулируемого преобразователя напряжения, в третьем варианте рекомендуется ограничивать снизу только время паузы. По причине, изложенной в описании работы первого варианта преобразователя, его нецелесообразно делать меньше трех постоянных времени, которая равна отношению индуктивности обмотки дросселя, подключенной к нагрузке, к сопротивлению нагрузки.

Первый пример конкретного выполнения, более подробная структура управляемого источника переменного импульсного напряжения 1, представлен на фиг.7 и содержит источник переменного напряжения 6, форма которого имеет вид периодической функции, симметричной относительно временной оси, а его полуволны имеют прямоугольную, трапецеидальную, синусоидальную или иную тому подобную форму, и, соединенный последовательно с одним из выводов этого источника, регулирующий ключ переменного тока 7. Этот же вывод источника переменного напряжения 6 связан со входом синхронизации устройства управления 5 для совпадения момента открывания регулирующего ключа 7 с началом полуволн входного переменного напряжения. Кроме того, управляющий вход регулирующего ключа переменного тока 7 связан с выходом устройства управления 5 для осуществления описанного регулирования. Второй пример выполнения управляемого источника переменного импульсного напряжения 1, представленный на фиг.8, содержит источник постоянного напряжения 8 и соединенный с ним последовательно регулируемый инвертор 9, управляющие входы которого соединены с выходами устройства управления 5, для осуществления описанного регулирования. Выполнен регулируемый инвертор по одной из известных схем двухтактных однофазных инверторов. При выборе схемы регулируемого инвертора для построения управляемого источника переменного импульсного напряжения 1 для первого варианта заявляемого технического решения целесообразно учитывать, что известны схемы регулируемых инверторов, способных выполнять функции ключа рекуперации переменного тока 2 [9]. Например, такой способностью обладает схема мостового регулируемого инвертора, при условии, что в паузе схема управления 5 открывает оба транзистора, соединенных с одним из выводов источника постоянного напряжения 8. Использование данного свойства позволит сократить аппаратные затраты при реализации указанного технического решения.

В случае, если в схеме регулируемого инвертора, для построения управляемого источника переменного импульсного напряжения для третьего варианта заявляемого технического решения, необходимо на выходе использовать трансформатор, во избежание избыточности, его функцию выполняет дроссель 3, включенный по схеме трансформатора. Например, при использовании схемы регулируемого инвертора со средней точкой, называемой еще нулевой, обмотка намагничивания дросселя выполнена с отводом от середины, соединенным с одним из выводов источника постоянного напряжения 8, в зависимости от типа проводимости транзисторных ключей инвертора (на фиг.9 показано штриховой линией). При этом концы указанной обмотки соединены в инверторе с коллекторами (стоками) регулирующих ключей. Чтобы при необходимости, например, при изменяющейся пороговой нагрузке регулируемый инвертор сохранял в паузе высокоимпедансное состояние выхода в большем диапазоне изменения ЭДС самоиндукции дросселя, регулирующие транзисторные ключи инвертора 9, в отличие от их традиционного исполнения, выполнены с односторонней проводимостью в открытом и двухсторонней блокировкой в закрытом состояниях.

Подключается управляемый источник переменного импульсного напряжения 1 в схемах первого и третьего вариантах заявляемого преобразователя, в общем случае, в точках а и в, как показано на фиг.1 и 5, а в случае выполнения его по схеме, изображенной на фиг.8, при выполнении регулируемого инвертора 9 по схеме со средней точкой, для третьего варианта заявляемого преобразователя, еще и в точке d, как это было описано выше и показано на фиг.9 штриховой линией. На фиг. 9 приведен характерный пример построения третьего варианта заявляемого преобразователя, более часто встречающегося на практике варианта построения управляемого источника переменного импульсного напряжения, показанного на фиг.8, и трансформаторного способа подключения нагрузки с помощью двухобмоточного дросселя, позволяющего получить требуемый уровень напряжения на нагрузке и обеспечить гальваническую развязку, используя одно намоточное изделие. Использовать данное устройство можно, например, в светильнике с большим диапазоном регулирования яркости свечения, если в качестве нагрузки применить газоразрядную люминесцентную лампу с "холодными" электродами.

На фиг.10 приведен пример построения третьего варианта заявляемого регулируемого преобразователя напряжения при использовании его в качестве пускорегулирующего устройства для газоразрядных ламп с нитями накала из материала, имеющего положительный температурный коэффициент сопротивления, например, из вольфрама, в светильнике с постоянной яркостью свечения. Отличается данное устройство от устройства, представленного на фиг.9, следующим: для наглядности организации обратной связи выделен датчик тока 10 мгновенных значений тока обмотки намагничивания дросселя 3, ток которой, как отмечалось выше, представляет собой сумму тока намагничивания и тока нагрузки, пересчитанную в указанную обмотку (см. диаграмму I_др на фиг.6). Вторичная обмотка дросселя 3 выполнена с отводами для подключения указанных нитей накала. Не используется сигнал управления и ключ рекуперации. Для получения с датчика тока 10 однополярных импульсов, подаваемых на вход ШИМ-компаратора устройства управления 5, на другой вход которого подан постоянный уровень, в мостовых инверторах и в инверторах со средней точкой, датчик тока 10 включается обычно последовательно в минусовую шину питания инвертора 9, а в полумостовых инверторах сигнал с датчика тока подключается через выпрямитель.

Работает данное пускорегулирующее устройство следующим образом. Сразу после включения сопротивление холодных нитей накала минимально, что приводит к росту прямоугольной составляющей "подставки", вызванного максимальным значением тока накала, в суммарном "пилообразном" сигнале с датчика тока 10. В результате ШИМ-компаратор устройства управления 5 ограничивает длительность импульса регулируемого инвертора 9 и, значит, величину энергии, запасаемой дросселем 3, что, в свою очередь, ограничит амплитуду напряжения, вызванную ЭДС самоиндукции дросселя 3, на лампе в паузе, делая невозможным ее "холодный" запуск, резко сокращающий срок ее службы. По мере разогрева нитей накала сопротивление их будет расти, амплитуда "подставки" в сигнале с датчика тока 10 будет снижаться, вызывая увеличение длительности импульса инвертора 9, при сохранении среднего значения тока накала, и рост энергии, запасаемый дросселем, и, значит, повышение напряжения на лампе в паузе. Одновременно у лампы будет снижаться величина напряжения зажигания за счет термоэлектронной эмиссии, вызванной разогревом нитей накала. Когда указанные напряжения сравняются, произойдет зажигание лампы, вызванное ионизацией разрядного промежутка. При этом напряжение горения лампы снижается до величины, меньшей или равной напряжению на лампе в импульсе, что приведет к появлению тока через лампу в импульсе. Это снова вызовет увеличение амплитуды "подставки" в сигнале с датчика тока 10 и соответствующее уменьшение длительности импульса регулируемого инвертора 9. При этом ток разряда лампы установится равным номинальному, а ток накала уменьшится, сохраняя температуру нитей накала, так как они дополнительно разогреваются током разряда в лампе. В случае, если нити накала лампы выполнены из материала, например, из тугоплавкого сплава, имеющего гораздо меньший температурный коэффициент, чем у вольфрама, то, например, последовательно с нитями накала включаются терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) из такого расчета, чтобы суммарный ТКС терморезистора и нити накала был близок к ТКС вольфрама, составляющий примерно 5•10^-3oС^-1.

В качестве устройства управления 5 целесообразно использовать известные универсальные ШИМ-контроллеры в интегральном исполнении, например, микросхемы серий 1114, 1156 [10] и т.п., позволяющие реализовать устройства управления для всех вариантов регулируемых преобразователей, указанных в данном описании, так как имеют в своем составе весь необходимый для этого традиционный набор функциональных узлов: задающий генератор с возможностью синхронизации и управления длительностью паузы, источник опорного напряжения, усилитель сигнала рассогласования, ШИМ-компаратор, триггер-фазорасщепитель, выходные драйверы, компаратор защиты от перегрузки по мгновенному значению тока, выход которого объединен по схеме "или" с выходом ШИМ-компаратора, и другие узлы. Схемотехника ключей переменного тока (поз. 2 и 7) известна [6, 7] . Наиболее перспективной считается схема из двух последовательно и встречно включенных и синхронно управляемых МДП-транзисторов. Подобные ключи серийно выпускаются в интегральном исполнении. Ключ, имеющий одностороннюю проводимость в открытом и двухстороннюю блокировку в закрытом состоянии, выполняется включением последовательно с ним диода в прямом направлении.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989, с.5-8, 64-68.

2. Там же, с.6, 9-15, 64-66.

3. Там же, с.6, 32-36.

4. Там же, с.6, 46-50, 67-68.

5. Головацкий В.А. и др./Под ред. Конева Ю.И. Источники вторичного электропитания. Изд. 2-е. - М.: Радио и связь, 1990, с. 96.

6. Там же, с.39, 40.

7. Моин В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.11.

8. Там же, с.35-38.

9. Там же, с.93-95.

10. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М.: "Додека", 1997, с. 86-104, 170-177.

Преимущественной областью использования преобразователя является применение его в качестве регулируемого стабилизированного источника переменного импульсного тока для запитки нагрузок переменным током, имеющих как линейную, так и изменяющуюся нелинейную пороговую вольтамперную характеристику, например газоразрядных ламп. Регулируемый преобразователь напряжения по первому варианту включает управляемый источник импульсного напряжения, к выводам которого подсоединен имеющий возможность открывания в паузе и закрывания в импульсе управляемого источника импульсного напряжения, ключ рекуперации, к выводам которого подсоединены через дроссель выводы для подключения нагрузки, при этом управляющий вход источника импульсного напряжения соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностями импульса и паузы на его выходе в результате действия сигналов управления и обратной связи имеет возможность регулирования и стабилизации требуемого параметра электрического режима нагрузки, например, тока нагрузки. Регулируемый преобразователь напряжения по второму варианту включает источник напряжения, к выводам которого подключена последовательная цепь, состоящая из дросселя и регулирующего ключа, параллельно которому подсоединены выводы для подключения нагрузки, а управляющий вход регулирующего ключа соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностями открытого и закрытого состояний регулирующего ключа в результате действия сигнала управления и сигнала обратной связи имеет возможность регулирования и стабилизации требуемого параметра электрического режима нагрузки, например тока нагрузки. Регулируемый преобразователь напряжения по третьему варианту включает управляемый источник импульсного напряжения, к выводам которого подключен дроссель, параллельно которому подсоединены выводы для подключения нагрузки, а управляющий вход указанного источника импульсного напряжения соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностью импульса и паузы на его выходе в результате действия сигнала управления и сигнала обратной связи имеет возможность регулирования и стабилизации требуемого параметра электрического режима нагрузки, например тока нагрузки. 3 с. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Регулируемый преобразователь напряжения, содержащий управляемый источник импульсного напряжения прямоугольной формы, к выводам которого подсоединен имеющий возможность открывания в паузе и закрывания в импульсе управляемого источника импульсного напряжения ключ рекуперации, к выводам которого подсоединены через дроссель выводы для подключения нагрузки, при этом управляющий вход источника импульсного напряжения соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностями импульса и паузы на его выходе в результате действия сигналов управления и обратной связи имеет возможность регулирования и стабилизации электрического режима нагрузки, отличающийся тем, что управляемый источник импульсного напряжения выполнен в виде управляемого источника переменного импульсного напряжения, ключ рекуперации - в виде ключа рекуперации переменного тока, устройство управления - с возможностью указанного управления поочередно в положительных и отрицательных полуволнах напряжения, причем текущее значение длительности импульса должно быть меньше трех постоянных времени, а длительность паузы - больше или равна постоянной времени, определяемой как отношение индуктивности дросселя к сопротивлению нагрузки, а обратная связь выполнена по току нагрузки. 2. Регулируемый преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что управляемый источник переменного импульсного напряжения состоит из источника переменного напряжения, форма полуволн которого имеет вид прямоугольников, симметричных относительно временной оси, с паузой на нулевом уровне длительностью от нуля до трех постоянных времени, и регулирующего ключа переменного тока, соединенного последовательно с одним из выводов источника переменного напряжения, выход которого дополнительно связан также со входом синхронизации устройства управления для совпадения момента открывания, регулирующего ключа с началом каждой полуволны напряжения. 3. Регулируемый преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что управляемый источник переменного импульсного напряжения состоит из источника постоянного напряжения и соединенного с ним последовательно регулируемого инвертора, управляющие входы которого являются управляющими входами указанного источника переменного импульсного напряжения. 4. Регулируемый преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что ключ рекуперации переменного тока выполнен управляемым и его управляющий вход соединен с инверсным выходом устройства управления. 5. Регулируемый преобразователь напряжения содержащий источник напряжения, к выводам которого подключена последовательная цепь, состоящая из дросселя и регулирующего ключа, параллельно которому подсоединены выводы для подключения нагрузки, а управляющий вход регулирующего ключа соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностями открытого и закрытого состояний регулирующего ключа в результате действия сигнала управления и сигнала обратной связи имеет возможность регулирования и стабилизации электрического режима нагрузки, отличающийся тем, что источник напряжения является источником переменного напряжения, форма полуволн которого имеет вид прямоугольников, симметричных относительно временной оси с паузой на нулевом уровне длительностью от нуля до трех постоянных времени, определяемой как отношение индуктивности дросселя к сопротивлению нагрузки, регулирующий ключ выполнен в виде регулирующего ключа переменного тока, а устройство управления - с возможностью указанного управления поочередно в положительных и отрицательных полуволнах напряжения, при этом текущее значение длительности закрытого состояния регулирующего ключа должно быть не менее постоянной времени, причем выход источника переменного напряжения связан также с входом синхронизации устройства управления для совпадения момента открывания регулирующего ключа с началом каждой полуволны напряжения, а обратная связь выполнена по току нагрузки. 6. Регулируемый преобразователь напряжения, содержащий управляемый источник импульсного напряжения прямоугольной формы, к выводам которого подключен дроссель, параллельно которому трансформаторным способом подсоединены выводы для подключения нагрузки, управляющий вход указанного источника импульсного напряжения соединен с выходом устройства управления, которое посредством изменения соотношения между длительностью импульса и паузы на его выходе в результате действия сигнала управления и сигнала обратной связи имеет возможность регулирования и стабилизации электрического режима нагрузки, отличающийся тем, что управляемый источник импульсного напряжения выполнен в виде управляемого источника переменного импульсного напряжения, а устройство управления - с возможностью указанного управления поочередно в положительных и отрицательных полуволнах напряжения, при этом текущее значение длительности паузы должно быть не менее постоянной времени, определяемой как отношение индуктивности обмотки дросселя, подключенной к нагрузке, к сопротивлению нагрузки, а обратная связь выполнена по току нагрузки. 7. Регулируемый преобразователь напряжения по п.6, отличающийся тем, что управляемый источник переменного импульсного напряжения состоит из источника переменного напряжения, форма полуволн которого имеет вид прямоугольников, симметричных относительно временной оси, с паузой на нулевом уровне длительностью от нуля до трех постоянных времени, и регулирующего ключа переменного тока, соединенного последовательно с одним из выводов источника переменного напряжения, выход которого также связан со входом синхронизации устройства управления, для совпадения момента открывания регулирующего ключа с началом каждой полуволны напряжения. 8. Регулируемый преобразователь напряжения по п.6, отличающийся тем, что управляемый источник переменного импульсного напряжения состоит из источника постоянного напряжения и соединенного с ним последовательно регулируемого инвертора, управляющие входы которого являются управляющими входами указанного источника переменного импульсного напряжения, а регулирующие ключи инвертора выполнены с возможностью односторонней проводимости в открытом и двухсторонней блокировки в закрытом состояниях. 9. Регулируемый преобразователь напряжения по п.8, отличающийся тем, что дроссель содержит отвод от средней точки обмотки для подачи питания на инвертор. 10. Регулируемый преобразователь напряжения по пп.6 и 7, отличающийся тем, что дроссель содержит одну обмотку с отводами. 11. Регулируемый преобразователь напряжения по пп.6 и 7, отличающийся тем, что дроссель выполнен многообмоточным, при этом первичная обмотка намагничивания подключена к выходным выводам управляемого источника переменного импульсного напряжения, а выводы вторичной обмотки являются выводами для подключения нагрузки. 12. Регулируемый преобразователь напряжения по пп.6-11, отличающийся тем, что он содержит ключ рекуперации переменного тока, один вывод которого соединен с выводом дросселя, другой предназначен для подсоединения нагрузки, причем ключ рекуперации имеет возможность открывания в паузе и закрывания в импульсе управляемого источника переменного импульсного напряжения. 13. Регулируемый преобразователь напряжения по п.12, отличающийся тем, что ключ рекуперации переменного тока выполнен управляемым, а его управляющий вход соединен с инверсным выходом устройства управления. 14. Регулируемый преобразователь напряжения по пп.6-11, отличающийся тем, что обмотка дросселя, к которой подключена нагрузка, содержит дополнительные отводы для подключения, например, нитей накала газоразрядных ламп низкого давления, а сигнал обратной связи, подаваемый на вход устройства управления, взят по мгновенному значению тока обмотки намагничивания дросселя. 15. Регулируемый преобразователь напряжения по п.14, отличающийся тем, что в выходную цепь дросселя последовательно с дополнительными отводами обмотки включены проволочные терморезисторы.