Стабилизатор напряжения постоянного тока Российский патент 2023 года по МПК H02M3/337 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для стабилизации напряжения источников постоянного тока.

Уровень техники

Известно устройство стабилизации напряжения постоянного тока (патент RU №208070, МПК H02M 3/337) содержащее первый и второй МДП транзисторы с индуцированным каналом n-типа, однофазный трансформатор со средней точкой в первичной и вторичной обмотках, первый и второй диод, систему управления. Система управления содержит делитель напряжения, генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов, распределитель импульсов.

Недостатком устройства является невозможность принудительного регулирования выходного напряжения стабилизатора.

Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор напряжения постоянного тока (патент RU №2626462, МПК H02M 3/337).

Стабилизатор напряжения постоянного тока содержит: автономный инвертор, однофазный трансформатор, выпрямитель, систему управления, при этом однофазный трансформатор содержит среднюю точку в первичной и вторичной обмотках, причем первый входной вывод стабилизатора соединен с коллекторами первого и второго транзисторов автономного инвертора, средней точкой вторичной обмотки трансформатора и первым входом системы управления, второй входной вывод стабилизатора соединен со средней точкой первичной обмотки трансформатора, вторым выходным выводом стабилизатора, вторым и четвертым входом системы управления, эмиттеры первого и второго транзисторов автономного инвертора соединены, соответственно, с началом и концом первичной обмотки трансформатора, а их управляющие входы соединены с выходами системы управления, начало и конец вторичной обмотки трансформатора через первый и второй диоды выпрямителя соединены и являются первым выходным выводом стабилизатора и третьим входом системы управления, содержащей генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов, распределитель импульсов, первый и второй усилители импульсов, магнитодиод, выполняющий функции делителя напряжения, RL-цепь, магнитопровод с воздушным зазором, дополнительную разомкнутую катушку, источник постоянного тока, резистор, причем первый и второй входы генератора пилообразного напряжения использованы в качестве первого и второго входов системы управления, третий и четвертый входы которой являются первым и вторым выводами RL-цепи, выход генератора пилообразного напряжения соединен с первым входом формирователя импульсов, выход формирователя импульсов соединен через распределитель импульсов с первым и вторым усилителями импульсов, выходы которых являются выходами системы управления, в воздушном зазоре магнитопровода, являющегося сердечником катушки в RL-цепи и дополнительной разомкнутой катушки, размещен магнитодиод, подключенный в прямом направлении к источнику постоянного тока последовательно с резистором, при этом анод и катод магнитодиода соединены со вторым и третьим входами формирователя импульсов

Недостатком данного устройства является низкая надежность, обусловленная:

- реализацией автономного инвертора на базе биполярных транзисторов, приборов, управляемых током, собственное энергопотребление которых, а значит, и тепловой режим напрямую связан с величиной коммутируемого тока;

- сложностью системы управления, в силу использования усилителей импульсов.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности.

Технический результат достигается тем, что в стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий автономный инвертор, однофазный трансформатор, выпрямитель, систему управления, при этом однофазный трансформатор содержит среднюю точку в первичной и вторичной обмотках, выпрямитель содержит первый и второй диоды, система управления содержит генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов, распределитель импульсов, магнитодиод, выполняющий функции делителя напряжения, RL-цепь, магнитопровод с воздушным зазором, дополнительную разомкнутую катушку, источник постоянного тока, резистор, причем первый входной вывод стабилизатора соединен с первым и вторым входами автономного инвертора, со средней точкой вторичной обмотки трансформатора и первым входом системы управления, второй входной вывод стабилизатора соединен со средней точкой первичной обмотки трансформатора, вторым выходным выводом стабилизатора, вторым и четвертым входами системы управления, первый и второй выходы автономного инвертора соединены, соответственно, с началом и концом первичной обмотки трансформатора, третий и четвертый входы автономного инвертора соединены, соответственно, с первым и вторым выходами системы управления, начало и конец вторичной обмотки трансформатора через первый и второй диоды выпрямителя соединены и являются первым выходным выводом стабилизатора и третьим входом системы управления, первый и второй входы генератора пилообразного напряжения использованы в качестве первого и второго входов системы управления, третий и четвертый входы которой являются первым и вторым выводами RL-цепи, выход генератора пилообразного напряжения соединен с первым входом формирователя импульсов, выход формирователя импульсов соединен через распределитель импульсов с первым и вторым выходами системы управления, в воздушном зазоре магнитопровода, являющегося сердечником катушки в RL-цепи и дополнительной разомкнутой катушки, размещен магнитодиод, подключенный в прямом направлении к источнику постоянного тока последовательно с резистором, при этом анод и катод магнитодиода соединены со вторым и третьим входами формирователя импульсов, введены первый и второй МДП транзисторы с индуцированным каналом n-типа, стоки которых служат, соответственно, первым и вторым входами автономного инвертора, истоки первого и второго МДП транзисторов с индуцированным каналом n-типа служат, соответственно, первым и вторым выходами автономного инвертора, затворы первого и второго МДП транзисторов с индуцированным каналом n-типа служат, соответственно, третьим и четвертым входами автономного инвертора.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена функциональная схема стабилизатора напряжения постоянного тока.

На фиг. 2 представлены диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы системы управления стабилизатором.

Осуществление изобретения

Стабилизатор напряжения постоянного тока (фиг. 1) содержит: автономный инвертор 1, однофазный трансформатор 2, выпрямитель 3, систему управления 4.

Автономный инвертор 1 содержит первый МДП транзистор 5 с индуцированным каналом n-типа, второй МДП транзистор 6 с индуцированным каналом n-типа, стоки которых служат, соответственно, первым и вторым входами автономного инвертора 1, истоки первого и второго МДП транзисторов с индуцированным каналом n-типа служат, соответственно, первым и вторым выходами автономного инвертора 1, затворы первого и второго МДП транзисторов с индуцированным каналом n-типа служат, соответственно, третьим и четвертым входами автономного инвертора 1.

Однофазный трансформатор 2 содержит среднюю точку в первичной и вторичной обмотках.

Выпрямитель 3 содержит первый диод 7 и второй диод 8, аноды которых служат, соответственно, первым и вторым входами выпрямителя 3, а катоды, соединенные вместе, служат выходом выпрямителя 3.

Система управления 4 содержит генератор пилообразного напряжения 9, формирователь импульсов 10, распределитель импульсов 11, магнитодиод 12, выполняющий функции делителя напряжения, RL-цепь 13, магнитопровод 14 с воздушным зазором, дополнительную разомкнутую катушку 15, источник постоянного тока 16, резистор 17, при этом первый и второй входы генератора пилообразного напряжения 9 использованы в качестве первого и второго входов системы управления 4, третий и четвертый входы которой являются первым и вторым выводами RL-цепи 13, выход генератора пилообразного напряжения 9 соединен с первым входом формирователя импульсов 10, выход формирователя импульсов 10 соединен через распределитель импульсов 11 с первым и вторым выходами системы управления 4, в воздушном зазоре магнитопровода 14, являющегося сердечником катушки в RL-цепи 13 и дополнительной разомкнутой катушки 15, размещен магнитодиод 12, подключенный в прямом направлении к источнику постоянного тока 16 последовательно с резистором 17, при этом анод и катод магнитодиода 12 соединены со вторым и третьим входами формирователя импульсов 10.

Первый входной вывод стабилизатора соединен с первым и вторым входами автономного инвертора 1, со средней точкой вторичной обмотки трансформатора 2 и первым входом системы управления 4, второй входной вывод стабилизатора соединен со средней точкой первичной обмотки трансформатора 2, вторым выходом стабилизатора, вторым и четвертым входом системы управления 4, первый и второй выходы автономного инвертора 1 соединены, соответственно, с началом и концом первичной обмотки трансформатора 2, третий и четвертый входы автономного инвертора 1 соединены, соответственно, с первым и вторым выходами системы управления 4, начало и конец вторичной обмотки трансформатора 2 соединены, соответственно, с первым и вторым входами выпрямителя 3, выход которого соединен с первым выходным выводом стабилизатора и третьим входом системы управления 4.

Стабилизатор напряжения постоянного тока работает следующим образом.

С выхода генератора пилообразного напряжения 9, вход которого соединен с входными выводами стабилизатора, сигнал U_ГПН (фиг.2, а) поступает на первый вход формирователя импульсов 10, на второй вход которого поступает сигнал от магнитодиода 12 U_МД (фиг.2, а), подключенного в прямом направлении к источнику постоянного напряжения 16 последовательно с резистором 17. Когда U_ГПН>U_МД на выходе формирователя импульсов 10 формируется управляющий сигнал U_ФИ (фиг.2, б), который через распределитель импульсов 11 поступает на затворы МДП транзисторов 5, 6 с индуцированным каналом n-типа. К примеру, если напряжение на выходных выводах стабилизатора уменьшится, то и уменьшится ток в RL-цепи, следовательно, уменьшится магнитный поток через магнитопровод, что вызовет уменьшение напряжения магнитодиода U_МД (фиг.2, в), уменьшится угол управления транзисторами с α₁ до α₂ (фиг.2, б, г). Временной интервал открытого состояния транзисторов 5 и 6 увеличится, значит, увеличится выходное напряжение выпрямителя U_B и, соответственно, выходное напряжение стабилизатора U_ВЫХ.

Также в устройстве возможно принудительное регулирование выходного напряжения посредством подключения некоторой ЭДС к зажимам дополнительной разомкнутой катушки 15, при этом ток, протекающий в дополнительной разомкнутой катушке 15, индуцирует магнитный поток в магнитопроводе 14, который в зависимости от полярности подключаемой ЭДС может как увеличивать, так и уменьшать магнитный поток, падающий на магнитодиод 12, что будет вызывать или увеличение, или уменьшение временного интервала открытого состояния транзисторов 5 и 6, а значит, увеличится/уменьшится выходное напряжение стабилизатора.

В случае прототипа имеет место относительно низкий КПД. Это обусловлено реализацией схемы автономного инвертора 1 на базе биполярных транзисторов. Так как биполярные транзисторы - это приборы, управляемые током, собственное энергопотребление которых, а значит, и тепловой режим, напрямую связан с величиной коммутируемого тока. А попытка снижения транзисторами собственного энергопотребления (повышения КПД устройства) за счет использования транзисторов с меньшим током базы (а значит, и меньшей допустимой мощностью рассеивания - неизбежно повысит требования к увеличению теплоотвода), повлечет снижение надежности устройства.

В то же время МДП транзисторы с индуцированным каналом характеризуются рядом преимуществ относительно биполярных транзисторов (Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1985, с.19):

- управление напряжением (высокое сопротивление со стороны затвора, ток затвора практически равен нулю);

- высокая скорость переключения;

- почти неограниченная нагрузочная способность по выходу (если не учитывать скорость переключения);

- очень малая вероятность теплового саморазогрева;

- очень малая вероятность вторичного пробоя;

- допустимость резкого изменения тока стока.

А значит, предлагаемое устройство, в схеме автономного инвертора 1 которого использованы МДП транзисторы 5 и 6, при той же величине коммутируемой мощности, что и в случае прототипа, будет характеризоваться более высоким значением как КПД, так и, прежде всего, надежностью.

Немаловажный вклад в повышение как надежности, так и КПД предлагаемого устройства вносит факт упрощения схемы системы управления 4.

Система управления 4 предлагаемого устройства, в отличие от прототипа, не содержит двух усилителей импульсов, так как токи управления МДП транзисторов 5 и 6 практически равны нулю.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для стабилизации напряжения источников постоянного тока. Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности. Стабилизатор напряжения постоянного тока содержит автономный инвертор, однофазный трансформатор, выпрямитель, систему управления. Автономный инвертор содержит первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа. Однофазный трансформатор содержит среднюю точку в первичной и вторичной обмотках. Выпрямитель содержит первый и второй диоды. Система управления содержит генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов, распределитель импульсов, магнитодиод, RL-цепь, магнитопровод с воздушным зазором, дополнительную разомкнутую катушку, источник постоянного тока, резистор. 2 ил.

Стабилизатор напряжения постоянного тока содержит автономный инвертор, однофазный трансформатор, выпрямитель, систему управления, при этом однофазный трансформатор содержит среднюю точку в первичной и вторичной обмотках, выпрямитель содержит первый и второй диоды, система управления содержит генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов, распределитель импульсов, магнитодиод, выполняющий функции делителя напряжения, RL-цепь, магнитопровод с воздушным зазором, дополнительную разомкнутую катушку, источник постоянного тока, резистор, причем первый входной вывод стабилизатора соединен с первым и вторым входами автономного инвертора, со средней точкой вторичной обмотки трансформатора и первым входом системы управления, второй входной вывод стабилизатора соединен со средней точкой первичной обмотки трансформатора, вторым выходным выводом стабилизатора, вторым и четвертым входами системы управления, первый и второй выходы автономного инвертора соединены, соответственно, с началом и концом первичной обмотки трансформатора, третий и четвертый входы автономного инвертора соединены, соответственно, с первым и вторым выходами системы управления, начало и конец вторичной обмотки трансформатора через первый и второй диоды выпрямителя соединены и являются первым выходным выводом стабилизатора и третьим входом системы управления, первый и второй входы генератора пилообразного напряжения использованы в качестве первого и второго входов системы управления, третий и четвертый входы которой являются первым и вторым выводами RL-цепи, выход генератора пилообразного напряжения соединен с первым входом формирователя импульсов, выход формирователя импульсов соединен через распределитель импульсов с первым и вторым выходами системы управления, в воздушном зазоре магнитопровода, являющегося сердечником катушки в RL-цепи и дополнительной разомкнутой катушки, размещен магнитодиод, подключенный в прямом направлении к источнику постоянного тока последовательно с резистором, при этом анод и катод магнитодиода соединены со вторым и третьим входами формирователя импульсов, отличающийся тем, что в устройство введены первый и второй МДП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа, стоки которых служат, соответственно, первым и вторым входами автономного инвертора, истоки первого и второго МДП-транзисторов с индуцированным каналом n-типа служат, соответственно, первым и вторым выходами автономного инвертора, затворы первого и второго МДП-транзисторов с индуцированным каналом n-типа служат, соответственно, третьим и четвертым входами автономного инвертора.