Двухполярный регулятор постоянного напряжения Российский патент 2024 года по МПК H02M3/135 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регуляторам постоянного напряжения, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения.

Известны регуляторы постоянного напряжения с магнитносвязанными обмотками магнитного элемента [1].

Недостатком известных регуляторов постоянного напряжения с магнитносвязанными обмотками является отсутствие формирования двухполярного выходного напряжения. Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству одноканальный регулятор постоянного напряжения с магнитносвязанными обмотками в магнитном элементе [1].

Недостатки этого регулятора постоянного напряжения состоят в том, что в нем отсутствует второй канал выходного напряжения противоположного знака.

Цель изобретения - формирование двухполярного выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитный элемент магнитносвязанного регулятора постоянного напряжения введена вторая цепь с магнитносвязанными противофазными обмотками, включенными последовательно через конденсатор, каждая из которых противофазна первым двум обмоткам магнитного элемента, первая обмотка которой концом подключена к положительному полюсу входного источника постоянного напряжения, а началом к второму конденсатору, к которому катодом подключен второй шунтирующий диод анодом подключенный к общей шине, при этом вторая обмотка вновь введенной цепи, началом подключена к общей точке соединения второго конденсатора с вторым шунтирующим диодом, а конец второй обмотки подключен к образующим положительное выходное напряжение второму выходному конденсатору с параллельно включенной нагрузкой, второй полюс которого подключен к общей шине.

На фиг.1, 2, 3 и 4 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого двухполярного регулятора постоянного напряжения.

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого двухполярного регулятора постоянного напряжения.

В нем (фиг.1) силовой регулирующий ключ 1 подключен к концу первой обмотки 3 магнитносвязанного магнитного элемента, начало которой подключено к положительному полюсу входного источника постоянного напряжения, а второй вывод силового регулирующего ключа 1 подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения, образующего общую шину. К общей точке соединения силового регулирующего ключа 1 и конца обмотки 3 подключен первый конденсатор 2, второй вывод которого подключен к аноду шунтирующего диода 4, катод которого подключен к общей шине. К общей точке соединения конденсатора 2 и анода диода 4 подключена концом вторая обмотка 5 магнитносвязанного магнитного элемента, начало которой подключено к первому выходному конденсатору 6, вторым полюсом подключенному к общей шине и образующему с параллельно включенной нагрузкой 7 канал отрицательного выходного напряжения.

В магнитносвязанный магнитный элемент введена вторая цепь с магнитносвязанными противофазными обмотками 9,11, включенными последовательно через конденсатор 8, каждая из которых противофазна первым двум обмоткам 3,5 магнитного элемента, первая обмотка 9 которой концом подключена к положительному полюсу входного источника постоянного напряжения, а началом к второму конденсатору 8, к которому катодом подключен второй шунтирующий диод 10 анодом подключенный к общей шине, при этом вторая обмотка 11 вновь введенной цепи, началом подключена к общей точке соединения второго конденсатора 8 с вторым шунтирующим диодом 10, а конец второй обмотки 11 подключен к второму выходному конденсатору 12, вторым полюсом подключенному к общей шине и образующему с параллельно включенной нагрузкой 13 канал положительного выходного напряжения.

На фиг. 2 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого двухполярного регулятора постоянного напряжения, в которой последовательно с каждой первой обмоткой по каждому каналу включены линейные индуктивности.

На фиг. 3 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого двухполярного регулятора постоянного напряжения, в которой последовательно с каждой второй обмоткой по каждому каналу включены линейные индуктивности.

На фиг. 4 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого двухполярного регулятора постоянного напряжения, в которой два шунтирующих диода заменены одним шунтирующим диодом для обоих каналов.

Принцип действия предлагаемого двухполярного регулятора постоянного напряжения рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике магнитного элемента.

Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния ключа 1.

При замкнутом состоянии ключа 1 в течение времени DT одновременно протекают процессы, связанные с накоплением магнитной энергии в сердечнике магнитного элемента и передача энергии в выходную цепь по обоим каналам. При этом передача энергии в отрицательный канал выходного напряжения с нагрузкой 7 осуществляется из конденсатора 2, заряженного до напряжения V_IN/(1-D) и реализующего выходное напряжение минус V_IND/(1-D), а по дополнительно введенной цепи осуществляется передача энергии их источника постоянного входного напряжения за счет трансформации напряжения из первичной цепи через последовательно включенный конденсатор 8, заряженный до напряжения V_IN(1-2D)/(1-D), вследствие чего формируется положительное выходное напряжение равное V_IN - V_C8 = V_IND/(1-D).

В результате этого процесса конденсатор 2 разряжается, а конденсатор 8 заряжается. После выключения силового регулирующего ключа 1 происходит переполюсовка напряжений на всех обмотках магнитного элемента, следствием чего является включение шунтирующих диодов 4,10, длительность работы которых протекает в течение времени (1-D)T. На этом интервале времени происходит заряд конденсатора 2, и разряд конденсатора 8 за счет магнитной энергии, накопленной в магнитном элементе на интервале времени DT включенного состояния силового регулирующего ключа 1.

Использование магнитносвязанных цепей по каждому каналу, обусловленных обмотками 3,5 по каналу отрицательного выходного напряжения и обмотками 9,11 по каналу положительного выходного напряжения, позволяет существенно увеличить дифференциальную индуктивность обмоток для пульсаций тока. При равенстве числа витков магнитносвязанных цепей, включение линейных индуктивностей 14,15 последовательно с обмотками 3,9 (фиг.2), позволяет обеспечить гладкое потребление тока от входного источника постоянного напряжения, практически без пульсаций тока.

Включение линейных индуктивностей 16,17 последовательно с обмотками 5,11 (фиг.3), позволяет исключить пульсации тока по этим обмоткам и, как следствие, исключить пульсации выходных напряжений. Одновременное исключение пульсаций тока по входу и выходу невозможно.

Для случая симметричной нагрузки R₇=R₁₃ по каждому выходному каналу два шунтирующих диода 4,10 могут быть заменены одним шунтирующим диодом 18 (фиг.4), включенным катодом к началу обмотки 11, а анодом к концу обмотки 5.

Таким образом, предлагаемый двухполярный регулятор постоянного напряжения позволяет по сравнению с известным устройством осуществить реализацию двухполярного выходного напряжения с сохранением всех преимуществ известного устройства.

1. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи в устройствах электропитания РЭА, “Радио и связь”, 1989, стр.54 рис.2.8, стр.55 рис.2.9.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регуляторам постоянного напряжения, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения. Цель изобретения - формирование двухполярного выходного напряжения. Устройство содержит силовой регулирующий ключ (1), магнитный элемент с магнитно-связанными обмотками, включенными последовательно через первый конденсатор (2), первая обмотка (3) которого началом подключена к первому полюсу входного источника постоянного напряжения, а концом через регулирующий ключ (1) к второму полюсу входного источника постоянного напряжения, образующего общую шину, к которой подключен первый шунтирующий диод (4), включенный анодом к конденсатору (2), а катодом к общей шине, при этом вторая обмотка (5) концом подключена к общей точке соединения анода шунтирующего диода (4) и конденсатора (2), а началом к первому выходному конденсатору (6), вторым полюсом подключенному к общей шине и образующему с параллельно включенной нагрузкой (7) канал отрицательного выходного напряжения. В магнитный элемент введена вторая цепь с магнитно-связанными противофазными обмотками (9, 11), включенными последовательно через конденсатор (8), каждая из которых противофазна первым двум обмоткам (3, 5), первая обмотка (9) которой концом подключена к положительному полюсу входного источника постоянного напряжения, а началом к второму конденсатору (8), к которому катодом подключен второй шунтирующий диод (10), анодом подключенный к общей шине, при этом вторая обмотка (11) вновь введенной цепи началом подключена к общей точке соединения второго конденсатора (8) с вторым шунтирующим диодом (10), а конец второй обмотки (11) подключен к второму выходному конденсатору (12), вторым полюсом подключенному к общей шине и образующему с параллельно включенной нагрузкой (13) канал положительного выходного напряжения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двухполярный регулятор постоянного напряжения, содержащий магнитный элемент с магнитно-связанными противофазными обмотками, включенными последовательно через конденсатор, в котором первая обмотка началом подключена к первому полюсу входного источника постоянного напряжения, концом через регулирующий ключ к второму полюсу входного источника постоянного напряжения, образующего общую шину, к которой подключен шунтирующий диод, включенный анодом к конденсатору, катодом к общей шине, а вторая обмотка подключена концом к общей точке соединения анода шунтирующего диода и конденсатора, а началом к выходному конденсатору, подключенному к общей шине и образующему с параллельно включенной нагрузкой канал отрицательного выходного напряжения, отличающийся тем, что в магнитный элемент введена вторая цепь с магнитно-связанными противофазными обмотками, включенными последовательно через конденсатор, каждая из которых противофазна первым двум обмоткам магнитного элемента, первая обмотка которой концом подключена к первому полюсу входного источника постоянного напряжения, а началом к второму конденсатору, к которому катодом подключен второй шунтирующий диод, анодом подключенный к общей шине, вторая обмотка которой началом подключена к общей точке соединения второго конденсатора с вторым шунтирующим диодом, а концом подключена к второму выходному конденсатору, вторым полюсом подключенному к общей шине и образующему с параллельно включенной нагрузкой канал положительного выходного напряжения.

2. Двухполярный регулятор постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что последовательно с каждой первой обмоткой по каждому каналу включены линейные индуктивности.

3. Двухполярный регулятор постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что последовательно с каждой второй обмоткой по каждому каналу включены линейные индуктивности.

4. Двухполярный регулятор постоянного напряжения, содержащий магнитный элемент с магнитно-связанными противофазными обмотками, включенными последовательно через конденсатор, в котором первая обмотка началом подключена к первому полюсу входного источника постоянного напряжения, концом через регулирующий ключ к второму полюсу входного источника постоянного напряжения, образующего общую шину, к которой подключен шунтирующий диод, включенный анодом к конденсатору, катодом к общей шине, а вторая обмотка подключена концом к общей точке соединения анода шунтирующего диода и конденсатора, а началом к выходному конденсатору, подключенному к общей шине и образующему с параллельно включенной нагрузкой канал отрицательного выходного напряжения, отличающийся тем, что при симметричной нагрузке в магнитный элемент введена вторая цепь с магнитно-связанными противофазными обмотками, включенными последовательно через конденсатор, каждая из которых противофазна первым двум обмоткам магнитного элемента, первая обмотка которой концом подключена к первому полюсу входного источника постоянного напряжения, а началом к первому полюсу второго конденсатора, вторая обмотка которой началом подключена к второму полюсу второго конденсатора, а концом к второму выходному конденсатору, вторым полюсом подключенному к общей шине и образующему с параллельно включенной нагрузкой канал положительного выходного напряжения, при этом первая и вторая цепи с магнитно-связанными противофазными обмотками соединены шунтирующим диодом, включенным катодом к началу второй обмотки положительного канала выходного напряжения, а анодом к концу второй обмотки отрицательного канала выходного напряжения.