Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока Российский патент 2024 года по МПК G05F1/46 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам вторичного электропитания, и может использоваться в качестве источника напряжения постоянного тока.

Уровень техники

Известен источник напряжения постоянного тока (Григораш О.В. Стабилизированные преобразователи напряжения повышенной надежности // Электротехника. 1998. 3. с.24-28, рис.1, содержащий резонансный инвертор, выполненный на тиристорных ключах, стабилизирующий трансформатор с вращающимся магнитным полем, неуправляемую мостовую схему выпрямителя и выходной фильтр). Регулирование напряжения источника осуществляется стабилизирующим трансформатором с вращающимся магнитным полем.

Недостатком источника является низкая надежность работы.

Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока (патент RU №2210100, МПК G05F 1/46).

Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока содержит: резонансный инвертор, состоящий из двух биполярных транзисторов и конденсатора инвертора; трансформатор, с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой; фазосдвигающий конденсатор; выпрямитель состоящий из двух диодов; обратный диод; выходной фильтр, состоящий из дросселя с конденсатором фильтра; систему стабилизации напряжения, состоящую из делителя напряжения, формирователя импульсов, генератора опорного сигнала, распределителя импульсов, двух усилителей импульсов; два входных и два выходных зажима, причем: эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом источника питания, а коллектор соединен с первым выводом конденсатора инвертора и эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен со вторым выводом источника питания, первыми выводами фазосдвигающего конденсатора и первой первичной обмотки трансформатора; вторые выводы первичных обмоток трансформатора соединены со вторым выводом конденсатора инвертора; первый вывод второй первичной обмотки трансформатора соединен со вторым выводом фазосдвигающего конденсатора; вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем, размещенная на сердечнике трансформатора и выполненная со средней точкой, первым и вторым выводами подключена к анодам первого и второго диодов выпрямителя; катоды диодов выпрямителя соединены с катодом обратного диода и первым выводом дросселя выходного фильтра, второй вывод которого соединен с первыми выводами конденсатора фильтра и стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с анодом обратного диода, вторыми выводами конденсатора фильтра и стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; первый и второй выводы стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока соединены с входами системы стабилизации напряжения, служащими первым и вторым входами делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом генератора опорного сигнала; первый и второй входы распределителя импульсов соединены с выходом формирователя импульсов и вторым выходом генератора опорного сигнала; первый и второй выходы распределителя импульсов соединены с первым и вторым, соответственно, усилителями импульсов, по два выхода которых соединены с эмиттером и базой первого и второго транзисторов резонансного инвертора соответственно.

Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности при одновременно низкой надежности.

Ограниченные функциональные возможности обусловлены отсутствием возможности контроля величины допустимого тока.

Низкая надежность обусловлена отсутствием защиты от возможной перегрузки по току.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей при одновременном повышении надежности.

Технический результат достигается тем, что в стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока, содержащий: резонансный инвертор, состоящий из двух биполярных транзисторов и конденсатора инвертора; трансформатор, с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой; фазосдвигающий конденсатор; выпрямитель состоящий из двух диодов; обратный диод; выходной фильтр, состоящий из дросселя с конденсатором фильтра; систему стабилизации напряжения, состоящую из делителя напряжения, формирователя импульсов, генератора опорного сигнала, распределителя импульсов, двух усилителей импульсов; два входных и два выходных зажима, причем: эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом источника питания, а коллектор соединен с первым выводом конденсатора инвертора и эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен со вторым выводом источника питания, первыми выводами фазосдвигающего конденсатора и первой первичной обмотки трансформатора; вторые выводы первичных обмоток трансформатора соединены со вторым выводом конденсатора инвертора; первый вывод второй первичной обмотки трансформатора соединен со вторым выводом фазосдвигающего конденсатора; вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем, размещенная на сердечнике трансформатора и выполненная со средней точкой, первым и вторым выводами подключена к анодам первого и второго диодов выпрямителя; катоды диодов выпрямителя соединены с катодом обратного диода и первым выводом дросселя выходного фильтра, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора фильтра; средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с анодом обратного диода, вторым выводом конденсатора фильтра и вторым выходным выводом стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; первый и второй выходные выводы стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока соединены с входами системы стабилизации напряжения, служащими первым и вторым входами делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом генератора опорного сигнала; первый и второй входы распределителя импульсов соединены с выходом формирователя импульсов и вторым выходом генератора опорного сигнала; первый и второй выходы распределителя импульсов соединены с первым и вторым, соответственно, усилителями импульсов, по два выхода которых соединены с эмиттером и базой первого и второго транзисторов резонансного инвертора соответственно, введен блок защиты, при этом: первый и второй входы блока защиты подключаются, соответственно, к первому и второму выводам источника питания; третий вход соединен со вторым выводом дросселя и первым выводом конденсатора фильтра; первый выход соединен с первым выходным выводом стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока и первым входом системы стабилизации напряжения; второй выход соединен с третьим входом системы стабилизации напряжения служащим входом генератора опорного сигнала, при этом, блок защиты содержит магнитопровод с воздушным зазором, L-цепь, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующую цепь, источник постоянного напряжения, причем: первый и второй входы источника постоянного напряжения подключены к первому и второму входам блока защиты; нулевой выход источника постоянного напряжения заземлен; потенциальный выход источника постоянного напряжения, с уровнем логической единицы, соединен с первым выводом переменного резистора, С-входом JK триггера и первыми входами делителя напряжения и дифференцирующей цепи, вторые входы которых заземлены, а выходы подключены, соответственно, к первому входу компаратора и J-входу JK триггера; второй и третий выводы переменного резистора соединены со вторым входом компаратора и анодом магнитодиода, катод которого заземлен; выход компаратора подключен к K-входу JK триггера, Q выход которого служит вторым выходом блока защиты; первый вывод L-цепи служит третьим входом блока защиты; второй вывод L-цепи служит первым выходом блока защиты.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена функциональная схема стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока.

На фиг. 2 представлены диаграммы напряжений, поясняющие работу системы стабилизации напряжения.

Осуществление изобретения

Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока (фиг. 1) содержит: резонансный инвертор 1, состоящий из двух биполярных транзисторов 2 и 3, конденсатора инвертора 4; трансформатор 5, с двумя первичными обмотками 6, 7 и вторичной обмоткой 8, 9; фазосдвигающий конденсатор 10; выпрямитель 11 состоящий из двух диодов 12 и 13; обратный диод 14; выходной фильтр 15, состоящий из дросселя 16 и конденсатора фильтра 17; систему стабилизации напряжения 18, состоящую из делителя напряжения 19, формирователя импульсов 20, генератора опорного сигнала 21, распределителя импульсов 22, двух усилителей импульсов 23 и 24; блок защиты 25, состоящий из L-цепи 26, служащей одновитковой обмоткой магнитопровода 27 с воздушным зазором, магнитодиода 28, переменного резистора 29, компаратора 30, делителя напряжения 31, JK триггера 32, дифференцирующей цепи 33, источника постоянного напряжения 34; входные зажимы 35, 36, служащие входами и выходные зажимы 37, 38, служащие выходами стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока, причем: эмиттер транзистора 2 соединен с выводом 36 (положительной полярности) источника питания, а коллектор соединен с первым выводом конденсатора инвертора 4 и эмиттером транзистора 3, коллектор которого соединен с выводом 35 (отрицательной полярности) источника питания, первыми выводами фазосдвигающего конденсатора 10 и первичной обмотки 6 трансформатора 5; вторые выводы первичных обмоток 6 и 7 трансформатора 5 соединены со вторым выводом конденсатора инвертора 4; первый вывод первичной обмотки 7 трансформатора 5 соединен со вторым выводом фазосдвигающего конденсатора 10; вторичная обмотка 8, 9 трансформатора 5 с вращающимся магнитным полем, размещенная на сердечнике трансформатора 5 и выполненная со средней точкой, первым и вторым выводами подключена к анодам диодов 12, 13 выпрямителя 11; катоды диодов 12, 13 выпрямителя 11 соединены с катодом обратного диода 14 и входом дросселя 16 выходного фильтра 15, а выход последнего соединен с первым выводом конденсатора фильтра 17 и третьим входом блока защиты 25, первый выход которого соединен с выводом 38 стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока, второй выход соединен с третьим входом системы стабилизации напряжения 18, а первый и второй входы с выводами 36 и 35 источника питания; средняя точка вторичной обмотки 8, 9 трансформатора 5 соединена с анодом обратного диода 14, вторым выводом конденсатора фильтра 17 и выводом 37 стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; выводы 38, 37 стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока соединены с входами системы стабилизации напряжения 18, служащими первым и вторым входами делителя напряжения 19, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов 20, второй вход которого соединен с первым выходом генератора опорного сигнала 21; вход генератора опорного сигнала 21 служит третьим входом системы стабилизации напряжения 18; первый и второй входы распределителя импульсов соединены с выходом формирователя импульсов 20 и вторым выходом генератора опорного сигнала 21; первый и второй выходы распределителя импульсов 22 соединены с первым и вторым, соответственно, усилителями импульсов 23, 24, по два выхода которых соединены с эмиттером и базой транзисторов 2, 3 резонансного инвертора 1 соответственно; первый и второй входы блока защиты 25 служат первым и вторым входами источника постоянного напряжения 34, нулевой выход которого заземлен, а потенциальный выход, с уровнем логической единицы, соединен с первым выводом переменного резистора 29, С-входом JK триггера 32 и первыми входами делителя напряжения 31 и дифференцирующей цепи 33, вторые входы которых заземлены, а выходы подключены, соответственно, к первому входу компаратора 30 и J-входу JK триггера 32; второй и третий выводы переменного резистора 29 соединены со вторым входом компаратора 30 и анодом магнитодиода 28, катод которого заземлен; выход компаратора 30 подключен к K-входу JK триггера 32, Q выход которого служит вторым выходом блока защиты 25; первый вывод L-цепи служит третьим входом блока защиты; второй вывод L-цепи служит первым выходом блока защиты.

Резонансный контур в устройстве образуется конденсатором инвертора 4 и дросселем 16 выходного фильтра 15.

Предлагаемый стабилизатор переменного напряжения работает следующим образом.

При подачи питания на входы 35, 36 устройства (фиг.1), напряжение U_вх поступает на первый и второй входы источника постоянного напряжения 34, который на ряду с формированием опорного сигнала с уровнем логической единицы, снимаемого с потенциального и нулевого выводов, обеспечивает электропитание элементов устройства и, в силу отсутствия перегрузки по току, блок защиты 25 обеспечивает запуск генератора опорного сигнала 21, переводя систему стабилизации напряжения 18, и устройство в целом, в рабочее исходное состояние.

В исходном состоянии конденсатор инвертора 4 разряжен. В ходе формирования положительной полуволны выходного напряжения U_аб резонансного инвертора 1 (фиг.2,б) система стабилизации напряжения 18 подает управляющий импульс на транзистор 2, он открывается, и конденсатор инвертора 4 начинает заряжаться от источника входного напряжения U_вх таким образом, что его выводы будут иметь потенциалы, указанные знаками на фиг.1. Ток заряда конденсатора инвертора 4 будет протекать через первичные обмотки 6, 7 трансформатора 5 и фазосдвигающий конденсатор 10. Для формирования отрицательной полуволны выходного напряжения резонансного инвертора 1 система стабилизации напряжения 18 закрывает транзистор 2 и открывает транзистор 3. В этом случае конденсатор инвертора 4 будет являться источником питания для нагрузки, и его ток разряда будет протекать по первичным обмоткам 6, 7 трансформатора 5 и фазосдвигающего конденсатора 10 в обратном направлении.

Таким образом, по первичным обмоткам 6, 7 трансформатора 5 протекает переменный ток, вызывающий действие вращающегося магнитного поля и соответственно ЭДС во вторичных обмотках 8, 9, которые размещены на сердечнике трансформатора 5. Выпрямитель 11 преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, а выходной фильтр 15 сглаживает пульсации, обеспечивая требуемое качество выходного напряжения U_вых на выводах 37, 38.

Система стабилизации напряжения 18 работает следующим образом.

С выходов 38, 37 устройства, сигнал, пропорциональный величине выходного напряжения U_вых, являющийся ведущим для системы стабилизации напряжения 18, через делитель напряжения 19, поступает на первый вход формирователя импульсов 20 (фиг.2,a U_дн). На второй вход формирователя импульсов 20 поступает сигнал U_гос от генератора опорного сигнала 21 (фиг.2,a), переведенный в рабочее состояние сигналом с блока защиты 25. Когда сигнал U_гос > U_дн, формирователь импульсов 20 формирует импульсы управления, которые через распределитель импульсов 22 и усилители импульсов 23, 24 поступают на управляющие электроды транзистора 2 или транзистора 3.

Работа распределителя импульсов 22 синхронизирована с опорным напряжением генератора 21 для обеспечения формирования положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения U_аб резонансного инвертора 1. Угол управления транзисторами α₁ (фиг.2,б) соответствует номинальному режиму работы стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока.

Если, к примеру, выходное напряжение U_вых стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока уменьшится, то уменьшится напряжение на выходе делителя напряжения 19 и уменьшится угол управления транзисторами до величины α₂, а значит уменьшится скважность выходного напряжения U_аб резонансного инвертора 1 (фиг.2, в, г) и соответственно увеличится выходное напряжение U_вых. на зажимах 37, 38 стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока.

Выходной фильтр 15, кроме функций создания колебательного контура и обеспечения требуемого качества выходного напряжения, выполняет функции накопителя электрической энергии и в моменты времени, когда существует пауза между работой транзисторов 2, 3, фильтр накопленную электроэнергию отдает в нагрузку. Контур для протекания тока от выходного фильтра 15 в нагрузку, когда закрыты транзисторы 2, 3, создается обратным диодом 14.

Как было показано выше, в момент подачи питания блок защиты 25 переводит устройство в рабочее состояние.

Это происходит в следствии подачи на вход генератора опорного сигнала 21 разрешающего потенциала с Q-выхода JK триггера 32. В силу установления на K-входе уровня логического нуля, а на С-входе, J-входе, а значит и на Q-выходе JK триггера 32, уровня логической единицы.

Уровень логической единицы на С-входе JK триггера 32 обусловлен сигналом с потенциального выхода источника постоянного напряжения 34.

Уровень логической единицы на J-входе JK триггера 32 обусловлен скачком напряжения на выходе дифференцирующей цепи 33 в момент подачи сигнала с потенциального выхода источника постоянного напряжения 34.

Уровень логического нуля на K-входе JK триггера 32 обусловлен не срабатыванием компаратора 30 (в следствие отсутствия перегрузки по току).

Срабатывание компаратора 30 осуществляется при условии

U_МД>U_ДН.31 (1)

где U_МД - напряжение падения на базе магнитодиода 28, поступающее на второй вход (U_вх+) компаратора 30;

U_ДН.31 - напряжение с выхода делителя напряжения 31, поступающее на первый вход (U_вх-) компаратора 30.

Выходное напряжение делителя напряжения 31, U_ДН.31, пропорционально напряжению с потенциального выхода источника постоянного напряжения 34.

Напряжение падения на базе магнитодиода 28, U_МД, определяется:

- величиной напряжения с потенциального выхода источника постоянного напряжения 34;

- сопротивлением переменного резистора 29;

- сопротивлением базы магнитодиода 28, зависящим от величины поперечного магнитного поля.

А так как сопротивление базы магнитодиода 28 возрастает с увеличением поперечного магнитного поля, величина которого определяется величиной тока нагрузки стабилизатора протекающего в L-цепи 26, служащей одновитковой обмоткой магнитопровода 27 с воздушным зазором, момент срабатывания компаратора 28 будет определяться величиной тока нагрузки и предварительно установленной величиной сопротивления переменного резистора 29.

Что, в свою очередь, обеспечивает:

- контроль величины допустимого тока нагрузки;

- защиту от возможной перегрузки по току,

а значит расширение функциональных возможностей стабилизатора с одновременным увеличением надежности.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам вторичного электропитания, и может использоваться в качестве источника напряжения постоянного тока. Технический результат: расширение функциональных возможностей, повышение надежности. Сущность: стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока содержит резонансный инвертор, состоящий из двух биполярных транзисторов и конденсатора, трансформатор с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой, фазосдвигающий конденсатор, выпрямитель, состоящий из двух диодов, обратный диод, выходной фильтр, состоящий из дросселя с конденсатором фильтра, систему стабилизации напряжения, состоящую из делителя напряжения, формирователя импульсов, генератора опорного сигнала, распределителя импульсов, двух усилителей импульсов, блок защиты, состоящий из L-цепи, служащей одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, магнитодиода, переменного резистора, компаратора, делителя напряжения, JK триггера, дифференцирующей цепи, источника постоянного напряжения. 2 ил.

Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока, содержащий резонансный инвертор, состоящий из двух биполярных транзисторов и конденсатора инвертора; трансформатор, с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой; фазосдвигающий конденсатор; выпрямитель, состоящий из двух диодов; обратный диод; выходной фильтр, состоящий из дросселя с конденсатором фильтра; систему стабилизации напряжения, состоящую из делителя напряжения, формирователя импульсов, генератора опорного сигнала, распределителя импульсов, двух усилителей импульсов; два входных и два выходных зажима, причем эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом источника питания, а коллектор соединен с первым выводом конденсатора инвертора и эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен со вторым выводом источника питания, первыми выводами фазосдвигающего конденсатора и первой первичной обмотки трансформатора; вторые выводы первичных обмоток трансформатора соединены со вторым выводом конденсатора инвертора; первый вывод второй первичной обмотки трансформатора соединен со вторым выводом фазосдвигающего конденсатора; вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем, размещенная на сердечнике трансформатора и выполненная со средней точкой, первым и вторым выводами подключена к анодам первого и второго диодов выпрямителя; катоды диодов выпрямителя соединены с катодом обратного диода и первым выводом дросселя выходного фильтра, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора фильтра; средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с анодом обратного диода, вторым выводом конденсатора фильтра и вторым выходным выводом стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; первый и второй выходные выводы стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока соединены с входами системы стабилизации напряжения, служащими первым и вторым входами делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом генератора опорного сигнала; первый и второй входы распределителя импульсов соединены с выходом формирователя импульсов и вторым выходом генератора опорного сигнала; первый и второй выходы распределителя импульсов соединены с первым и вторым, соответственно, усилителями импульсов, по два выхода которых соединены с эмиттером и базой первого и второго транзисторов резонансного инвертора соответственно, отличающийся тем, что в устройство введен блок защиты, при этом первый и второй входы блока защиты подключены, соответственно, к первому и второму выводам источника питания; третий вход соединен со вторым выводом дросселя и первым выводом конденсатора фильтра; первый выход соединен с первым выходным выводом стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока и первым входом системы стабилизации напряжения; второй выход соединен с третьим входом системы стабилизации напряжения служащим входом генератора опорного сигнала, при этом блок защиты содержит магнитопровод с воздушным зазором, L-цепь, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующую цепь, источник постоянного напряжения, причем первый и второй входы источника постоянного напряжения подключены к первому и второму входам блока защиты; нулевой выход источника постоянного напряжения заземлен; потенциальный выход источника постоянного напряжения с уровнем логической единицы соединен с первым выводом переменного резистора, С-входом JK триггера и первыми входами делителя напряжения и дифференцирующей цепи, вторые входы которых заземлены, а выходы подключены, соответственно, к первому входу компаратора и J-входу JK триггера; второй и третий выводы переменного резистора соединены со вторым входом компаратора и анодом магнитодиода, катод которого заземлен; выход компаратора подключен к K-входу JK триггера, Q выход которого служит вторым выходом блока защиты; первый вывод L-цепи служит третьим входом блока защиты; второй вывод L-цепи служит первым выходом блока защиты.