ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H02M3/155 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к преобразователям электрического напряжения и, в частности, понижающим преобразователям электрического напряжения, вырабатывающим напряжение постоянного тока (DC) из напряжения переменного тока (AC) или напряжения постоянного тока.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Различное оборудование, потребляющее электроэнергию, на промышленных предприятиях часто зависит от напряжений питания переменного и/или постоянного тока. В частности, системы, ориентированные на постоянный ток, имеют тенденцию к использованию сравнительно низких напряжений постоянного тока, обычно в пределах от 12 до 50 вольт постоянного тока (В). Однако системы, ориентированные на переменный ток, часто используют более высокие напряжения переменного тока, иногда в пределах от 100 до 250 вольт действующего напряжения (В). Можно также использовать другие напряжения переменного или постоянного тока вне этих пределов. Однако промышленное оборудование, например, в кориолисовом расходомере для измерения массового расхода и другой информации, касающейся материала, текущего по трубе, часто используются электрические элементы, требующие низкого напряжения постоянного тока, например 1,2-24 В, в качестве источника электропитания, и потому не способны выдерживать столь большой диапазон входных напряжений переменного или постоянного тока. Поэтому понижающий преобразователь, способный формировать, по существу, фиксированное низкое выходное напряжение постоянного тока из входного напряжения переменного или постоянного тока, часто с большим успехом используется в таких условиях.

Упрощенная схема одного конкретного типа понижающего или "вольтодобавочного" преобразователя или регулятора 1, используемого в настоящее время для преобразования положительного входного напряжения постоянного тока V_IN в выходное напряжение постоянного тока V_OUT, представлена на фиг.1. Входное напряжение V_IN подается на входной конденсатор C_A, один вывод которого заземлен, и поступает на вывод стока n-канального мощного полевого транзистора (ПТ) переключателя Q. Входной конденсатор C_A действует как фильтр, помогающий поддерживать уровень напряжения на стоке переключателя Q при наличии изменений во входном напряжении V_IN, за счет обеспечения дополнительного тока на временной основе стоку переключателя Q. Аналогичная функция для выходного напряжения V_OUT обеспечивается выходным конденсатором C_B.

Затвором переключателя Q управляет контроллер 2 переключателя, который включает и выключает переключатель Q в зависимости от уровня напряжения для выходного напряжения V_OUT по сравнению с желательным или целевым уровнем выходного напряжения V_OUT. Альтернативно или дополнительно, контроллер 2 переключателя может использовать на выходе некоторую другую величину, например ток. По существу, периодически включая и выключая переключатель Q, контроллер 2 переключателя обычно способен поддерживать выходное напряжение V_OUT на желаемом уровне при наличии изменений как в уровне входного напряжения V_IN, так и в уровне нагрузки, возбуждаемой выходным напряжением V_OUT. В целом период переключения равен сумме времени включения и времени выключения переключателя Q в течение одного рабочего цикла. Соответственно, рабочий цикл переключателя Q равен отношению времени включения к периоду. Таким образом, любым известным способом контроллер 2 переключателя управляет рабочим циклом и периодом переключателя Q для поддержания выходного напряжения V_OUT на удовлетворительном уровне.

В ходе работы преобразователя 1, когда переключатель Q включен, электрический ток течет от входного напряжения V_IN, через сток и выводы истока переключателя Q и через дроссель L к выходному напряжению V_OUT. В результате протекания электрического тока через дроссель L электрическая энергия запасается в дросселе L. Обычно, время включения переключателя Q, устанавливаемое контроллером переключателя 2, ограничивается номинальными значениями дросселя L и выходного конденсатора C_B, в результате чего напряжение V_L на дросселе примерно постоянно в течение времени включения. В этих условиях вывод дросселя L, подключенный к выводу истока переключателя Q, остается вблизи входного напряжения V_IN при включенном переключателе Q, и другой вывод дросселя L находится на уровне выходного напряжения V_OUT. В результате напряжение на катоде 3 диода D, подключенном к выводу истока переключателя Q, создает обратное смещение диода D, вследствие чего он не проводит ток, когда переключатель Q включен, поскольку анод 4 диода D заземлен.

Когда переключатель Q выключен, напряжение V_L на дросселе L меняет полярность для поддержания непрерывности электрического тока через дроссель L. Этот "обратный ход" напряжения приводит к тому, что напряжение на катоде 3 диода D падает ниже уровня заземления, создавая прямое смещение диода D, вследствие чего он проводит ток. Таким образом, электрическая энергия, запасенная в дросселе L, когда переключатель Q был включен, переносится как ток через диод D и дроссель L к выходному напряжению V_OUT. В некоторый момент, определяемый контроллером переключателя 2, переключатель Q снова включается и вышеописанный цикл повторяется. Ток, таким образом, втекает в вывод напряжения V_OUT, когда переключатель Q включается или выключается.

Один потенциальный недостаток понижающего преобразователя 1, показанного на фиг.1, состоит в большом размахе напряжения, необходимом, чтобы контроллер 2 переключателя управлял затвором переключателя Q для включения и выключения переключателя Q. В частности, для включения переключателя Q и поддержания этого состояния контроллер 2 переключателя должен переводить затвор на уровень напряжения, превышающий входное напряжение V_IN, поскольку напряжение на затворе должно быть выше напряжения истока, которое близко к входному напряжению V_IN во включенном состоянии. Для выключения переключателя Q напряжение на затворе должно быть близко к напряжению заземления, поскольку напряжение на истоке устанавливается чуть ниже напряжения заземления вследствие того, что диод D в это время получает прямое смещение вследствие обратного хода дросселя L. Когда входное напряжение V_IN является относительно низким напряжением постоянного тока, формирование нужного напряжения на затворе для включения переключателя Q может осуществляться посредством общедоступной вольтодобавочной схемы. Однако, когда входное напряжение V_IN является большим напряжением переменного тока порядка 265 VRMS, которое преобразуется в максимальный уровень напряжения постоянного тока около 375 В, своевременное и точное управление напряжением на затворе при обеспечении чрезвычайно больших размахов напряжения на затворе порядка сотен вольт обычно требует относительно сложной конструкции схемы для контроллера 2 переключателя с использованием специализированных электрических компонентов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание понижающего преобразователя напряжения для генерации выходного напряжения из входного напряжения. Преобразователь согласно изобретению содержит переключатель, имеющий первый вывод и второй вывод, электрически соединенный с выходным напряжением. Выпрямитель имеет первый вывод и второй вывод, электрически соединенный с выходным напряжением. Первый дроссель электрически соединяет первый вывод переключателя с входным напряжением. Второй дроссель, находящийся в магнитной связи с первым дросселем, электрически соединяет первый вывод выпрямителя с опорным напряжением. Кроме того, контроллер переключения, соединенный с выходным напряжением, предназначен для управления переключателем.

Согласно изобретению понижающий преобразователь напряжения для генерации выходного напряжения из входного напряжения содержит:

переключатель, имеющий первый вывод и второй вывод, электрически соединенный с выходным напряжением,

выпрямитель, содержащий первый вывод и второй вывод, электрически соединенный с выходным напряжением,

первый дроссель, электрически соединяющий первый вывод переключателя с входным напряжением,

второй дроссель, находящийся в магнитной связи с первым дросселем, причем второй дроссель электрически соединяет первый вывод выпрямителя с опорным напряжением, и

контроллер переключения, соединенный с выходным напряжением и предназначенный для управления переключателем.

Предпочтительно, первый дроссель и второй дроссель каждый имеет индуктивность 1,7 миллигенри.

Предпочтительно, понижающий преобразователь напряжения дополнительно содержит:

первый конденсатор, электрически соединяющий входное напряжение с опорным напряжением, и

второй конденсатор, электрически соединяющий выходное напряжение с опорным напряжением.

Предпочтительно, первый конденсатор имеет емкость 22 микрофарад.

Предпочтительно, второй конденсатор имеет емкость 120 микрофарад.

Предпочтительно, опорное напряжение является напряжением заземления.

Предпочтительно, количество витков первого дросселя и количество витков второго дросселя имеют отношение 1:1.

Предпочтительно, первый дроссель содержит первую обмотку трансформатора, а второй дроссель содержит вторую обмотку трансформатора, при этом первый дроссель и второй дроссель намотаны на сердечник.

Предпочтительно, сердечник является ферритовым сердечником.

Предпочтительно, входное напряжение и выходное напряжение являются положительными напряжениями постоянного тока,

переключатель содержит n-канальный полевой транзистор, первый вывод переключателя содержит вывод стока ПТ, второй вывод переключателя содержит вывод истока ПТ, и контроллер переключателя управляет ПТ посредством вывода затвора ПТ,

выпрямитель содержит диод, первый вывод выпрямителя является анодом диода, и второй вывод выпрямителя является катодом диода.

Предпочтительно, входное напряжение и выходное напряжение являются отрицательными напряжениями постоянного тока,

переключатель содержит p-канальный полевой транзистор, первый вывод переключателя является выводом стока ПТ, второй вывод переключателя является выводом истока ПТ, и контроллер переключателя управляет ПТ посредством вывода затвора ПТ, и

выпрямитель содержит диод, первый вывод выпрямителя является катодом диода, и второй вывод выпрямителя является анодом диода.

Предпочтительно, контроллер переключателя предназначен для управления переключателем, по существу, периодически включая и выключая переключатель.

Предпочтительно, контроллер переключателя предназначен для управления переключателем на основании выходного напряжения.

Предпочтительно, контроллер переключателя предназначен управлять переключателем на основании тока на выходном напряжении.

Предпочтительно, входное напряжение является входным напряжением переменного тока, и

понижающий преобразователь напряжения дополнительно содержит схему выпрямления переменного тока, соединяющую входное напряжение переменного тока с первым дросселем.

Предпочтительно, схема выпрямления переменного тока предназначена для преобразования входного напряжения переменного тока в первое положительное напряжение постоянного тока; и

выходное напряжение является положительным выходным напряжением постоянного тока, величина которого меньше первого положительного напряжения постоянного тока.

Предпочтительно, схема выпрямления переменного тока предназначена для преобразования входного напряжения переменного тока в первое отрицательное напряжение постоянного тока, и

выходное напряжение является отрицательным выходным напряжением постоянного тока, величина которого меньше первого отрицательного напряжения постоянного тока.

Предпочтительно, элемент промышленного оборудования содержит понижающий преобразователь напряжения.

Предпочтительно, кориолисовый расходомер содержит понижающий преобразователь напряжения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дополнительные варианты осуществления и преимущества настоящего изобретения будут понятны специалистам в данной области техники при ознакомлении с нижеследующим подробным описанием со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 – изображает блок-схему понижающего преобразователя напряжения согласно уровню техники;

Фиг.2 – блок-схему понижающего преобразователя согласно изобретению;

Фиг.3 – схему понижающего преобразователя для генерации положительного выходного напряжения постоянного тока из положительного входного напряжения постоянного тока согласно изобретению;

Фиг.4 – временную диаграмму тока через первый дроссель и второй дроссель, напряжения на стоке переключателя и напряжения на аноде диода согласно варианту осуществления понижающего преобразователя напряжения, показанного на фиг.3;

Фиг.5 – схему понижающего преобразователя для генерации отрицательного выходного напряжения постоянного тока из отрицательного входного напряжения постоянного тока согласно изобретению;

Фиг.6 – блок-схему понижающего преобразователя, показанного на фиг.2, в котором дополнительно использована схема выпрямления переменного тока для входного напряжения переменного тока, согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.2 показана блок-схема понижающего преобразователя 100 напряжения для генерации выходного напряжения V_OUT из входного напряжения V_IN согласно варианту осуществления изобретения. Преобразователь 100 содержит переключатель 111, имеющий первый вывод 112 и второй вывод 114, соединенный с выходным напряжением V_OUT. Первый вывод 112 переключателя 111 электрически соединен с входным напряжением V_IN посредством первого дросселя 124. Переключателем 111 управляет контроллер 110 переключателя, соединенный с выходным напряжением V_OUT. Кроме того, второй дроссель 126, находящийся в магнитной связи с первым дросселем 124, электрически соединяет первый вывод 118 выпрямителя 117 с опорным напряжением 128, а второй вывод 120 выпрямителя 117 электрически соединен с выходным напряжением V_OUT.

На фиг.3 показана схема конкретного примера понижающего преобразователя 100 напряжения, т.е. преобразователя 200 напряжения для генерации положительного выходного напряжения постоянного тока V_OUT из положительного входного напряжения постоянного тока V_IN согласно варианту осуществления изобретения. Преобразователь 200 содержит переключатель Q₁, имеющий первый вывод 212 и второй вывод 214, в котором второй вывод 214 соединен с выходным напряжением V_OUT. Первый вывод 212 переключателя Q₁ электрически соединен с входным напряжением V_IN посредством первого дросселя L₁. Переключателем Q₁ управляет контроллер 210 переключателя, соединенный с выходным напряжением V_OUT. Кроме того, второй дроссель L2, находящийся в магнитной связи с первым дросселем L₁, электрически соединяет анод 218 выпрямителя или диода D₁ с опорным напряжением, а катод 220 диода D₁ электрически соединен с выходным напряжением V_OUT.

В преобразователе 200 (фиг.3) переключатель Q₁ представляет собой ПТ, например n-канальный мощный ПТ, имеющий вывод стока 212, вывод истока 214 и вывод затвора 216. Как описано более подробно ниже, контроллер 210 переключателя управляет ПТ Q₁, включая и выключая ПТ Q₁ посредством затвора 216. Согласно одному варианту осуществления контроллер переключателя 10 включает и выключает ПТ Q₁ по существу, периодически, по меньшей мере частично, на основании уровня напряжения для выходного напряжения V_OUT. Согласно другим вариантам осуществления контроллер 210 переключателя может использовать для управления ПТ Q₁ другую характеристику выхода, например ток. В другом примере, для управления Q₁ можно использовать комбинацию выходных характеристик, например напряжения и тока. Согласно альтернативным вариантам осуществления вместо ПТ Q₁ можно использовать другие типы электронных компонентов, например биполярные плоскостные транзисторы (БПТ).

В варианте осуществления, показанном на фиг.3, первый конденсатор C₁ электрически соединяет входное напряжение V_IN с опорным напряжением, тогда как выходное напряжение V_OUT электрически соединено с опорным напряжением посредством второго конденсатора C₂. Опорное напряжение является напряжением заземления или 0 В. Первый конденсатор C₁ и второй конденсатор C₂ используются в качестве фильтрующих конденсаторов, помогающих удовлетворять кратковременные потребности в электрическом токе для поддержания уровня напряжения для входного напряжения V_IN и выходного напряжения V_OUT, а также для устранения высокочастотного шума. В конкретной реализации, первый конденсатор C₁ имеет емкость 22 микрофарад (мкФ), а второй конденсатор C₂ имеет емкость 120 мкФ.

Согласно варианту осуществления первый дроссель L₁ и второй дроссель L₂ образуют первую и вторую обмотки трансформатора, совместно использующие один сердечник 222, например ферритовый сердечник, на который намотаны оба дросселя L₁, L₂. В других вариантах осуществления изобретения можно реализовать сердечники, выполненные из других материалов. Кроме того, количество витков первого дросселя L₁ и количество витков второго дросселя L₂, намотанных на общий сердечник, находятся в отношении 1:1. В альтернативных вариантах осуществления возможны другие отношения, хотя в нижеследующем описании работы преобразователя 200 предполагается отношение 1:1. Каждый из дросселей L₁, L₂ имеет индуктивность, например, 1,7 миллигенри (мГн).

Работа преобразователя 200 зависит от состояния переключателя или ПТ Q₁. Контроллер 210 переключателя включает ПТ Q₁, повышая напряжение на затворе 216 значительно выше напряжения на истоке 214, которое равно выходному напряжению V_OUT, для включения переключателя Q₁. Когда ПТ Q₁ включен, напряжение V_D на стоке 212 ПТ Q₁ также приблизительно равно выходному напряжению V_OUT, и электрический ток течет от входного напряжения V_IN через первый дроссель L₁, сток 212 и исток 214 ПТ Q₁ к выходному напряжению V_OUT. В результате электрическая энергия запасается в первом дросселе L₁, обычно в сердечнике 222, на который намотан первый дроссель L₁. Кроме того, в силу магнитной связи первого дросселя L₁ и второго дросселя L₂ с отношением 1:1 напряжение V_L1 на первом дросселе L₁ равно напряжению V_L2 на втором дросселе L₂. Таким образом, поскольку напряжение на первом дросселе L₁, по существу, равно входному напряжению V_IN минус выходное напряжение V_OUT, напряжение V_A на аноде 218 диода D₁ оказывается равным -(V_IN-V_OUT). Поэтому, поскольку катод 220 соединен с выходным напряжением V_OUT, напряжение V_A на аноде 218 меньше, чем на катоде 220, что создает обратное смещение диода D₁ и делает его непроводящим. Поэтому, когда переключатель Q₁ включен, через второй дроссель L₂ ток, по существу, не течет, и электрическая энергия запасается в сердечнике 222, когда ток течет через первый дроссель L₁.

Когда контроллер 210 переключателя выключает переключатель Q₁, напряжение V_L1 на первом дросселе L₁ становится отрицательным, пытаясь поддержать предыдущий уровень электрического тока, тем самым повышая напряжение на стоке 212 переключателя Q₁ свыше входного напряжения V_IN. Благодаря магнитной связи между двумя дросселями L₁, L₂, напряжение V_L2 на втором дросселе L₂ совпадает с напряжением V_L1 на первом дросселе L₁. В результате напряжение V_L2 на втором дросселе L₂ достигает значения выходного напряжения с отрицательным знаком –V_OUT, и в этот момент диод D₁ получает прямое смещение и становится проводящим. Пренебрегая обычно малым падением напряжения на диоде D₁, можно утверждать, что напряжение V_L1 на первом дросселе L₁ также ограничивается значением –V_OUT, т.е. происходит отсечка напряжения V_D на стоке 212 переключателя Q₁ на значении суммы входного напряжения V_IN и выходного напряжения V_OUT (т.е. V_IN+V_OUT). В результате этой отсечки энергия, ранее запасенная в сердечнике 222 дросселей L₁, L₂, доставляется в форме тока через второй дроссель L₂ и диод D₁ на выходное напряжение V_OUT. По истечении периода времени контроллер 210 переключателя снова включает переключатель Q₁ и процесс повторяется. Независимо от того, включен или выключен переключатель Q₁, ток течет от преобразователя 200 к выходному напряжению V_OUT.

На фиг.4 показаны упрощенные временные диаграммы сигнала электрического тока I_L1 через первый дроссель L₁ и тока I_L2 через второй дроссель L₂ согласно конкретному варианту осуществления изобретения. Кроме того, проиллюстрированы напряжение V_D на стоке 212 переключателя Q₁ и напряжение V_A на аноде 218 диода D₁ в течение одного и того же периода времени. В этом примере входное напряжение V_IN равно 50 В, выходное напряжение V_OUT равно 12 В и нагрузка (не показана), на которую подается выходное напряжение V_OUT, равна 40 Ом. В этом конкретном примере первый конденсатор C₁ имеет емкость 22 мкФ, второй конденсатор C₂ имеет емкость 120 мкФ и дроссели L₁, L₂ имеют индуктивность 1,7 мГн. Кроме того, переключатель Q₁ представляет собой n-канальный мощный ПТ типа STD5NM50 и диод D₁ типа MURS160.

Временная диаграмма (фиг.4) демонстрирует обычно периодический характер работы преобразователя 200. В течение времени t_ON, когда переключатель Q₁ включен, ток I_L1 через первый дроссель L₁ возрастает, по существу, линейно от уровня I₁ до более высокого уровня I₂. В течение того же периода времени диод D₁ имеет обратное смещение и, таким образом, через второй дроссель L₂ ток, по существу, не течет. Кроме того, напряжение V_D на стоке 212 переключателя Q₁ остается примерно равным V_OUT в силу того, что переключатель Q₁ включен, и напряжение V_A на аноде 218 диода D₁ равно (V_IN-V_OUT), как описано выше. Иными словами, напряжения V_L1, V_l2 на дросселях L₁, L₂ равны (V_IN-V_OUT), причем напряжение смещения на стоке V_D выше напряжения на аноде V_A на величину входного напряжения V_IN.

Это равенство напряжений V_L1, V_L2 на дросселях L₁, L₂ и относительное смещение V_IN между напряжением на стоке V_D и напряжением на аноде V_A сохраняются, когда переключатель Q₁ выключен. В течение времени выключения t_OFF переключателя Q₁ при условии, что диод D₁ проводит ток, напряжение на аноде V_A отсекается на значении выходного напряжения V_OUT. Поскольку напряжение смещения на стоке V_D выше напряжения на аноде V_A на величину входного напряжения V_IN, напряжение на стоке V_D отсекается на значении (V_IN+V_OUT), что описано выше. Кроме того, поскольку переключатель Q₁ выключен, ток в первом дросселе L₁, по существу, равен нулю, тогда как ток во втором дросселе L₂ спадает, по существу, линейно от I₂ к I₁ благодаря постоянному напряжению (-V_OUT) на втором дросселе L₂.

В варианте осуществления, показанном на фиг.4, верхний уровень тока I₂ приблизительно равен 350 миллиампер (мА), а нижний уровень тока I₁ равен около 250 мА. Поскольку ток I_L1 через дроссель L₁ и ток I_L2 через дроссель L₂ обеспечиваются при выходном напряжении V_OUT, средний ток, доставляемый в нагрузку 40 Ом, равен (12 В)/(40 Ом)=300 мА. Контроллер переключателя 210 регулирует t_ON и t_OFF на основании номинальных значений дросселей L₁, L₂, допусков на изменение выходного напряжения V_OUT для нагрузки и других факторов. В этом случае t_ON равно около 5 микросекунд (мкс), а t_OFF равно около 15 мкс. Поскольку напряжение на дросселе L равно L(di/dt), постоянное напряжение V_L1 на первом дросселе L₁ в течение t_ON, выражаемое как V_IN-V_OUT =(50 В)-(12 В)=38 В, приблизительно в три раза больше по величине, чем напряжение V_L2 на втором дросселе L₂ в течение t_OFF, которое равно –V_OUT=-12 V, таким образом, t_OFF должно быть приблизительно в три раза больше, чем t_ON. При другой комбинации входного напряжения V_IN и выходного напряжения V_OUT контроллер 210 переключателя будет обеспечивать другое отношение t_ON к t_OFF.

Согласно различным вариантам осуществления преобразователя 200 широкий диапазон положительных напряжений постоянного тока можно использовать в качестве входного напряжения V_IN для создания положительного выходного напряжения постоянного тока малой величины V_OUT. Как отмечено выше, различные используемые элементы, например дроссели L₁, L₂, конденсаторы C₁, C₂, диод D₁, переключатель Q₁ и контроллер 210 переключателя, определяют, отчасти, предельные значения входного и выходного напряжений V_IN, V_OUT, допустимые для конкретного варианта осуществления изобретения.

Существенным преимуществом различных описанных выше вариантов осуществления преобразователя 200 является ограничение размаха напряжения на затворе 216 переключателя Q₁, необходимого для включения и выключения переключателя Q₁. Поскольку на исток 214 переключателя Q₁ непосредственно поступает выходное напряжение V_OUT, для работы переключателя Q₁ требуется, чтобы напряжение на затворе 216 переключалось только между выходным напряжением V_OUT и напряжением на несколько вольт выше. Таким образом, затвором 216 Q₁ могут управлять стандартные общедоступные электронные элементы, что упрощает конструкцию контроллера 210 переключателя. Одно или несколько из этих или других преимуществ также можно реализовать в других вариантах применения, использующих один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения.

Аналогичные преимущества также можно реализовать в преобразователе 300 напряжения согласно другому варианту осуществления изобретения. На фиг.5 показан преобразователь 300, который, действуя аналогично вышеописанному преобразователю 200, обеспечивает преобразование отрицательного входного напряжения постоянного тока V_IN в отрицательное выходное напряжение постоянного тока малой величины V_OUT. Хотя большинство элементов преобразователя 200 и преобразователя 300, например дроссели L₁, L₂, сердечник 222 и конденсаторы C₁, C₂, одинаковы, несколько модификаций используется для обработки отрицательного входного напряжения постоянного тока V_IN. Вместо переключателя Q₁ преобразователя 200 используется переключатель Q₂, представляющий собой p-канальный мощный ПТ. Переключатель Q₂ содержит вывод стока 312, соединенный с первым дросселем L₁, вывод истока 314, соединенный с выходным напряжением V_OUT, и вывод затвора 316. Контроллер 310 переключателя, действуя аналогично контроллеру 210 переключателя преобразователя 200, управляет работой переключателя Q₂ посредством затвора 316. Чтобы оперировать переключателем Q₂, контроллеру 310 переключателя нужно только переключать напряжение на затворе 316 между выходным напряжением V_OUT и напряжением на несколько вольт ниже, что упрощает конструкцию контроллера.

Преобразователь 300 (фиг.5) также содержит диод D₂, имеющий первый вывод 318 и второй вывод 320. В силу отрицательной полярности входного и выходного напряжений V_IN, V_OUT первый вывод 318 является катодом, а второй вывод 320 является анодом в отличие от ориентации диода D₁ преобразователя 200. Работа преобразователя 300 аналогична работе вышеописанного преобразователя 200 (фиг.3) за исключением того, что полярность всех напряжений и токов, по существу, инвертирована.

Дополнительный вариант осуществления преобразователя 400 напряжения согласно варианту осуществления изобретения для преобразования входного напряжения переменного тока V_IN в выходное напряжение постоянного тока V_OUT представлен на фиг.6. Помимо описанных выше элементов, схема 430 выпрямления переменного тока для преобразования входного напряжения переменного тока V_IN в напряжение постоянного тока, используемое остальной частью преобразователя 400 напряжения, используется для генерации нужного выходного напряжения постоянного тока V_OUT. Согласно одному варианту осуществления, в котором требуется положительное выходное напряжение постоянного тока V_OUT, схема 430 выпрямления переменного тока преобразует входное напряжение переменного тока V_IN в первое положительное напряжение постоянного тока, которое затем можно преобразовывать в выходное напряжение постоянного тока малой величины V_OUT посредством преобразователя 200 (фиг.3). В другом варианте осуществления, если необходимо отрицательное выходное напряжение постоянного тока V_OUT, схема 430 выпрямления переменного тока преобразует входное напряжение переменного тока V_IN в первое отрицательное напряжение постоянного тока, которое затем преобразуется в отрицательное выходное напряжение постоянного тока малой величины V_OUT посредством преобразователя 300.

Хотя здесь было рассмотрено несколько вариантов осуществления изобретения, возможны другие варианты осуществления, отвечающие объему изобретения. Например, в альтернативных вариантах осуществления можно применять другие уровни напряжения переменного и постоянного тока, тем самым, возможно, указывая использование номинальных значений, отличных от раскрытых выше. Кроме того, ссылки на положительную и отрицательную полярности напряжения приведены только для примера, и в других вариантах осуществления изобретения можно использовать другую схему соотнесения напряжений. Кроме того, в альтернативных вариантах осуществления электрически связанные компоненты необязательно должны быть непосредственно соединены между собой. Кроме того, аспекты одного варианта осуществления можно комбинировать с аспектами альтернативных вариантов осуществления для создания дополнительных вариантов реализации настоящего изобретения. Таким образом, хотя настоящее изобретение было описано в контексте конкретных вариантов осуществления, такие описания приведены в порядке иллюстрации, но не ограничения. Соответственно, объем настоящего изобретения определяется только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к понижающим преобразователям электрического напряжения. Технический результат – упрощение переключающего контроллера за счет ограничения размаха напряжения на затворе п-канального полевого транзисторного переключателя. Понижающий преобразователь напряжения (100) для генерации положительного постоянного (DC) выходного напряжения (V_OUT) из положительного постоянного (DC) входного напряжения (V_IN), содержит n-канальный полевой транзисторный (ПТ) (Q₁) переключатель (111), содержащий вывод (112) стока и вывод (114) истока, при этом вывод (114) истока переключателя (111) электрически соединен с выходным напряжением (V_OUT), диод (117), содержащий анод (118) и катод (120), причем катод (120) диода электрически соединен с выходным напряжением (V_OUT), первый индуктор (124), электрически соединяющий вывод (112) стока переключателя (111) с входным напряжением (V_IN), при этом первый индуктор (124) содержит первую обмотку двухобмоточного трансформатора, второй индуктор (126), находящийся в магнитной связи с первым индуктором (124), причем второй индуктор (126) электрически соединяет анод (118) диода (117) с опорным напряжением (128), при этом второй индуктор (126) содержит вторую обмотку двухобмоточного трансформатора, при этом только первый индуктор (124) и второй индуктор (126) намотаны на ферритовый сердечник (222), и переключающий контроллер (110), соединенный с выходным напряжением (V_OUT) и сконфигурированный для управления переключателем (111) посредством вывода затвора (216) полевого транзистора (ПТ) (Q₁), причем переключающий контроллер (110) сконфигурирован для управления переключателем (111) путем включения и выключения переключателя (111), преимущественно периодически, так что ток не протекает с выхода переключающего контроллера (110) к выходному напряжению. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Понижающий преобразователь напряжения (100) для генерации положительного постоянного (DC) выходного напряжения (V_OUT) из положительного постоянного (DC) входного напряжения (V_IN), содержащий:

n-канальный полевой транзисторный (ПТ) (Q₁) переключатель (111), содержащий вывод (112) стока и вывод (114) истока, при этом вывод (114) истока переключателя (111) электрически соединен с выходным напряжением (V_OUT),

диод (117), содержащий анод (118) и катод (120), причем катод (120) диода электрически соединен с выходным напряжением (V_OUT),

первый индуктор (124), электрически соединяющий вывод (112) стока переключателя (111) с входным напряжением (V_IN), при этом первый индуктор (124) содержит первую обмотку двухобмоточного трансформатора,

второй индуктор (126), находящийся в магнитной связи с первым индуктором (124), причем второй индуктор (126) электрически соединяет анод (118) диода (117) с опорным напряжением (128), при этом второй индуктор (126) содержит вторую обмотку двухобмоточного трансформатора, при этом только первый индуктор (124) и второй индуктор (126) намотаны на ферритовый сердечник (222), и

переключающий контроллер (110), соединенный с выходным напряжением (V_OUT) и сконфигурированный для управления переключателем (111) посредством вывода затвора (216) полевого транзистора (ПТ) (Q₁), причем переключающий контроллер (110) сконфигурирован для управления переключателем (111) путем включения и выключения переключателя (111), преимущественно периодически, так что ток не протекает с выхода переключающего контроллера (110) к выходному напряжению (V_OUT).

2. Понижающий преобразователь напряжения (100) по п.1, в котором первый индуктор (124) и второй индуктор (126) каждый имеют индуктивность 1,7 миллигенри.

3. Понижающий преобразователь напряжения (100) по п.1, который дополнительно содержит:

первый конденсатор (C₁), электрически соединяющий входное напряжение (V_IN) с опорным напряжением (128), и

второй конденсатор (C₂), электрически соединяющий выходное напряжение с опорным напряжением (128).

4. Понижающий преобразователь напряжения (100) по п.3, в котором первый конденсатор (C₁) имеет емкость 22 микрофарад.

5. Понижающий преобразователь напряжения (100) по п.3, в котором второй конденсатор (C₂) имеет емкость 120 микрофарад.

6. Понижающий преобразователь напряжения (100) по п.1, в котором опорное напряжение (128) является напряжением заземления.

7. Понижающий преобразователь напряжения (100) по п.1, в котором количество витков первого дросселя (124) и количество витков второго дросселя (126) имеют отношение 1:1.

8. Понижающий преобразователь напряжения (100) по п.1, в котором указанный преобразователь напряжения (100) сконфигурирован для управления переключателем (111) на основе выходного напряжения (V_OUT).

9. Понижающий преобразователь напряжения (100) по п.1, в котором переключающий контроллер (110) сконфигурирован для управления переключателем (111) на основе тока при выходном напряжении (V_OUT).

10. Элемент промышленного оборудования, содержащий понижающий преобразователь напряжения (100) по п.1.

11. Кориолисовый расходомер, содержащий понижающий преобразователь напряжения (100) по п.1.