Стабилизатор напряжения постоянного тока Российский патент 2024 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

Известен стабилизатор напряжения постоянного тока (патент RU №2626462, МПК H02M 3/337) содержащий автономный инвертор, состоящий из двух биполярных транзисторов, однофазный трансформатор, выпрямитель, состоящий из двух диодов, систему управления, в состав которой входят: генератор пилообразного напряжения; формирователь импульсов; распределитель импульсов; два усилителя импульсов; магнитодиод; RL-цепь; магнитопровод с воздушным зазором; дополнительная разомкнутая катушка; источник постоянного тока; резистор.

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;

- 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.

Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор напряжения постоянного тока (патент RU №2807298, МПК H02M 3/337).

Стабилизатор напряжения постоянного тока содержит: автономный инвертор, содержащий первый и второй МДП транзисторы с индуцированным каналом n-типа, стоки которых служат, соответственно, первым и вторым входами, истоки - первым и вторым выходами, а затворы - третьим и четвертым входами автономного инвертора; однофазный трансформатор содержащий среднюю точку как в первичной, так и во вторичной обмотках; выпрямитель, содержащий первый и второй диоды, аноды которых служат, соответственно, первым и вторым входами, а катоды, соединенные вместе, служат выходом выпрямителя; систему управления, содержащую 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, при этом: первый и второй входы генератора пилообразного напряжения служат первым и вторым входами 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 которого 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, 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 выходом стабилизатора, вторым и четвертым входом 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 соединены, соответственно, с первым и вторым входами выпрямителя, выход которого соединен с первым выходным выводом стабилизатора и третьим входом системы управления.

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 стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий: автономный инвертор, содержащий первый и второй МДП транзисторы с индуцированным каналом n-типа, стоки которых служат, соответственно, первым и вторым входами, истоки - первым и вторым выходами, а затворы - третьим и четвертым входами автономного инвертора; однофазный трансформатор содержащий среднюю точку как в первичной, так и во вторичной обмотках; выпрямитель, содержащий первый и второй диоды, аноды которых служат, соответственно, первым и вторым входами, а катоды, соединенные вместе, служат выходом выпрямителя; систему управления, содержащую 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, при этом: первый и второй входы генератора пилообразного напряжения служат первым и вторым входами 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 которого 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, причем, второй входной вывод стабилизатора соединен со средней точкой первичной обмотки трансформатора, вторым выходом стабилизатора, вторым и четвертым входом системы управления, средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с первым и вторым входами автономного инвертора, первым входом системы управления, третий вход системы управления соединен с первым выходным выводом стабилизатора, 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 соединены, соответственно, с первым и вторым входами выпрямителя, введен блок защиты, при этом: его первый и второй входы соединены с первым и вторым входными выводами стабилизатора; третий вход соединен с выходом выпрямителя; первый выход соединен с узлом соединения первого и второго входов автономного инвертора, первого входа системы управления, средней точкой вторичной обмотки трансформатора; второй выход соединен с первым выходным выводом стабилизатора, причем, блок защиты содержит источник постоянного напряжения, формирователь импульсов, оптосимистор, L-цепь, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, в котором расположен магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующую цепь, причем: первый и второй входы источника постоянного напряжения подключены к первому и второму входам блока защиты; первый и второй выходы источника постоянного напряжения служат для обеспечения электропитания элементов устройства; четвертый выход источника постоянного напряжения заземлен; третий 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, ко второму входу компаратора и J-входу JK триггера; второй и третий выводы переменного резистора соединены с первым входом компаратора и анодом магнитодиода, катод которого заземлен; выход компаратора подключен к K-входу JK триггера, Q-выход которого подключен ко входу формирователя импульсов, выходы которого служат управляющими входами оптосимистора, вход которого соединен с первым входом блока защиты, а выход служит первым выходом блока защиты; первый вывод L-цепи служит третьим входом блока защиты; второй вывод L-цепи служит вторым выходом блока защиты.

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, блок защиты 18.

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.

Блок защиты 18 содержит оптосимистор 19, формирователь импульсов 20, источник постоянного напряжения 21, переменный резистор 22, компаратор 23, делитель напряжения 24, JK триггер 25, дифференцирующую цепь 26, L-цепь 27, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода 28 с воздушным зазором, в котором расположен магнитодиод 29, размещенный в воздушном зазоре магнитопровода 28, причем: первый и второй входы источника постоянного напряжения 21 подключены к первому и второму входам блока защиты 18; первый и второй выходы источника постоянного напряжения 21 служат для обеспечения электропитания элементов устройства; четвертый выход источника постоянного напряжения 21 заземлен; третий выход источника постоянного напряжения 21, с уровнем логической единицы, соединен с первым выводом переменного резистора 22, С-входом JK триггера 25 и первыми входами делителя напряжения 24 и дифференцирующей цепи 26, вторые входы которых заземлены, а выходы подключены, соответственно, ко второму входу компаратора 23 и J-входу JK триггера 25; второй и третий выводы переменного резистора 22 соединены с первым входом компаратора 23 и анодом магнитодиода 29, катод которого заземлен; выход компаратора 23 подключен к K-входу JK триггера 25, Q-выход которого подключен ко входу формирователя импульсов 20, выходы которого служат управляющими входами оптосимистора 19, вход которого соединен с первым входом блока защиты 18, а выход служит первым выходом блока защиты 18; первый вывод L-цепи 27 служит третьим входом блока защиты 18; второй вывод L-цепи 27 служит вторым выходом блока защиты 18.

Первый входной вывод стабилизатора соединен с первым входом блока защиты 18, первый выход которого 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, вторым входом блока защиты 18, 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 третьим входом блока защиты 18, второй выход которого соединен с первым выходным выводом стабилизатора и третьим входом системы управления 4.

Стабилизатор напряжения постоянного тока работает следующим образом.

При подачи питания на входы стабилизатора, напряжение U_вх поступает на первый и второй входы источника постоянного напряжения 21, который обеспечивает электропитанием элементы устройства.

Так как отсутствует перегрузка по току, блок защиты 18 обеспечивает коммутационное соединение первого провода сети с первым и вторым входами автономного инвертора 1, со средней точкой вторичной обмотки трансформатора 2 и первым входом системы управления 4.

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.

Как было показано выше, в момент подачи питания на стабилизатор блок защиты 18 обеспечивает коммутационное соединение переводящее стабилизатор в рабочее состояние.

Непосредственно коммутация обусловлена срабатыванием оптосимистора 19 по команде формирователя импульсов 20. В силу установления на K-входе уровня логического нуля, а на С-входе, J-входе, а значит и на Q-выходе JK триггера 25, уровня логической единицы.

Уровень логической единицы на С-входе JK триггера 25 обусловлен потенциалом с третьего выхода источника постоянного напряжения 21.

Уровень логической единицы на J-входе JK триггера 25 обусловлен скачком напряжения на выходе дифференцирующей цепи 26 в момент подачи потенциала с третьего выхода источника постоянного напряжения 21.

Уровень логического нуля на K-входе JK триггера 25 обусловлен не срабатыванием компаратора 23 (в следствие отсутствия перегрузки по току).

Срабатывание компаратора 23 осуществляется при условии

U_МД.29 >U_ДН (1)

где U_МД.29 - напряжение падения на базе магнитодиода 29, поступающее на первый вход (U_вх+) компаратора 23;

U_ДН - напряжение с выхода делителя напряжения 24, поступающее на второй вход (U_вх-) компаратора 23.

Выходное напряжение делителя напряжения 24, U_ДН, пропорционально напряжению с третьего выхода источника постоянного напряжения 21.

Напряжение падения на базе магнитодиода 29, U_МД.29, определяется:

- величиной напряжения с третьего выхода источника постоянного напряжения 21;

- сопротивлением переменного резистора 22;

- сопротивлением базы магнитодиода 29, зависящим от величины поперечного магнитного поля.

А так как сопротивление базы магнитодиода 29 возрастает с увеличением поперечного магнитного поля, величина которого определяется величиной тока нагрузки стабилизатора протекающего в L-цепи 27, служащей одновитковой обмоткой магнитопровода 28 с воздушным зазором, момент срабатывания компаратора 23 будет определяться величиной тока нагрузки и предварительно установленной величиной сопротивления переменного резистора 22.

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 области электротехники и предназначено для стабилизации напряжения источников постоянного тока. Технический результат - расширение функциональных возможностей при одновременном повышении надежности. Стабилизатор напряжения постоянного тока содержит автономный инвертор, однофазный трансформатор, выпрямитель, систему управления, блок защиты. 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. Блок защиты содержит источник постоянного напряжения, формирователь импульсов, оптосимистор, L-цепь, магнитопровод с воздушным зазором, магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующую цепь. 2 ил.

Стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий автономный инвертор, содержащий первый и второй МДП транзисторы с индуцированным каналом n-типа, стоки которых служат, соответственно, первым и вторым входами, истоки - первым и вторым выходами, а затворы - третьим и четвертым входами автономного инвертора; однофазный трансформатор, содержащий среднюю точку как в первичной, так и во вторичной обмотках; выпрямитель, содержащий первый и второй диоды, аноды которых служат, соответственно, первым и вторым входами, а катоды, соединенные вместе, служат выходом выпрямителя; систему управления, содержащую 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, при этом: первый и второй входы генератора пилообразного напряжения служат первым и вторым входами 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 которого 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, причем второй входной вывод стабилизатора соединен со средней точкой первичной обмотки трансформатора, вторым выходом стабилизатора, вторым и четвертым входами системы управления, средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с первым и вторым входами автономного инвертора, первым входом системы управления, третий вход системы управления соединен с первым выходным выводом стабилизатора, 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 соединены, соответственно, с первым и вторым входами выпрямителя, отличающийся тем, что в устройство введен блок защиты, при этом: его первый и второй входы соединены с первым и вторым входными выводами стабилизатора; третий вход соединен с выходом выпрямителя; первый выход соединен с узлом соединения первого и второго входов автономного инвертора, первого входа системы управления, средней точкой вторичной обмотки трансформатора; второй выход соединен с первым выходным выводом стабилизатора, причем блок защиты содержит источник постоянного напряжения, формирователь импульсов, оптосимистор, L-цепь, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, в котором расположен магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующую цепь, причем: первый и второй входы источника постоянного напряжения подключены к первому и второму входам блока защиты; первый и второй выходы источника постоянного напряжения служат для обеспечения электропитания элементов устройства; четвертый выход источника постоянного напряжения заземлен; третий 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, ко второму входу компаратора и J-входу JK триггера; второй и третий выводы переменного резистора соединены с первым входом компаратора и анодом магнитодиода, катод которого заземлен; выход компаратора подключен к K-входу JK триггера, Q-выход которого подключен к входу формирователя импульсов, выходы которого служат управляющими входами оптосимистора, вход которого соединен с первым входом блока защиты, а выход служит первым выходом блока защиты; первый вывод L-цепи служит третьим входом блока защиты; второй вывод L-цепи служит вторым выходом блока защиты.