Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока Российский патент 2025 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;

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

- сложностью системы стабилизации напряжения, в силу использования усилителей импульсов.

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, в состав которого входит конденсатор 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; два входных и два выходных зажима, причем: второй вывод источника питания соединен с 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, введены блок защиты, у которого: первый и второй входы 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, а в состав резонансного инвертора – МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа и МДП-транзистор с индуцированным каналом p-типа, причем: сток МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа соединен с первым выводом (положительной полярности) источника питания, а исток соединен с первым выводом конденсатора инвертора и истоком МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа, сток которого соединен со вторым выводом (отрицательной полярности) источника питания, первыми выводами фазосдвигающего конденсатора и первой первичной обмотки трансформатора; первый, второй и третий выводы распределителя импульсов, входящего в состав системы стабилизации напряжения, соединены, соответственно, с затвором МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа, истоками обоих транзисторов, затвором МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа, при этом, блок защиты содержит магнитопровод с воздушным зазором, L-цепь, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, в котором расположен магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK-триггер, дифференцирующую цепь, стабилизированный источник постоянного напряжения, причем: первый и второй входы стабилизированного источника постоянного напряжения подключены к первому и второму входам блока защиты; нулевой выход стабилизированного источника постоянного напряжения заземлен; потенциальный выход стабилизированного 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 МДП-транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа, МДП-транзистора 3 с индуцированным каналом p-типа, и 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; блок защиты 23, состоящий из L-цепи 24, служащей одновитковой обмоткой магнитопровода 25 с воздушным зазором, в котором расположен магнитодиод 26, переменного резистора 27, компаратора 28, делителя напряжения 29, JK-триггера 30, дифференцирующей цепи 31, стабилизированного источника постоянного напряжения 32; входные зажимы 33, 34, служащие входами и выходные зажимы 35, 36, служащие выходами стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока, причем: сток МДП-транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа соединен с выводом 34 (положительной полярности) источника питания, а исток соединен с первым выводом конденсатора инвертора 4 и истоком МДП-транзистора 3 с индуцированным каналом p-типа, сток которого соединен с выводом 33 (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 23, первый выход которого соединен с выводом 36 стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока, второй выход соединен с третьим входом системы стабилизации напряжения 18, а первый и второй входы с выводами 34 и 33 источника питания; средняя точка вторичной обмотки 8, 9 трансформатора 5 соединена с анодом обратного диода 14, вторым выводом конденсатора фильтра 17 и выводом 35 стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; выводы 36, 35 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 (служащий для передачи импульсов положительной полярности), второй (нейтральный) и третий (служащий для передачи импульсов отрицательной полярности) выводы распределителя импульсов 22 соединены, соответственно, с затвором МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа, истоками обоих транзисторов, затвором МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа; первый и второй входы блока защиты 23 служат первым и вторым входами стабилизированного источника постоянного напряжения 32, нулевой выход которого заземлен, а потенциальный выход, с уровнем логической единицы, соединен с первым выводом переменного резистора 27, С-входом JK-триггера 30 и первыми входами делителя напряжения 29 и дифференцирующей цепи 31, вторые входы которых заземлены, а выходы подключены, соответственно, к первому входу компаратора 28 и J-входу JK-триггера 30; второй и третий выводы переменного резистора 27 соединены со вторым входом компаратора 28 и анодом магнитодиода 26, катод которого заземлен; выход компаратора 28 подключен к K-входу JK-триггера 30, Q выход которого служит вторым выходом блока защиты 23; 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 33, 34 устройства (фиг.1), напряжение U_вх поступает на первый и второй входы стабилизированного источника постоянного напряжения 32, который наряду 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 23 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 затвор МДП-транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа, 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 МДП-транзистор 2 с индуцированным каналом n-типа и открывает МДП-транзистор 3 с индуцированным каналом p-типа. 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 35, 36.

Система стабилизации напряжения 18 работает следующим образом.

С выходов 36, 35 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 23. Когда сигнал U_гос > U_дн, формирователь импульсов 20 формирует импульсы управления, которые через распределитель импульсов 22 поступают на затвор МДП-транзистора 2 или 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 35, 36 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 МДП-транзисторы 2, 3, создается обратным диодом 14.

Как было показано выше, в момент подачи питания, в случае отсутствия перегрузки по току, блок защиты 23 переводит устройство в рабочее состояние.

Это происходит вследствие подачи на вход генератора опорного сигнала 21 разрешающего потенциала с Q-выхода JK-триггера 30. В силу установления на K-входе уровня логического нуля, а на С-входе, J-входе, а значит и на Q-выходе JK-триггера 30, уровня логической единицы.

Уровень логической единицы на С-входе JK-триггера 30 обусловлен сигналом с потенциального выхода стабилизированного источника постоянного напряжения 32.

Уровень логической единицы на J-входе JK-триггера 30 обусловлен скачком напряжения на выходе дифференцирующей цепи 31 в момент подачи сигнала с потенциального выхода стабилизированного источника постоянного напряжения 32.

Уровень логического нуля на K-входе JK-триггера 30 обусловлен не срабатыванием компаратора 28 (вследствие отсутствия перегрузки по току).

Срабатывание компаратора 28 осуществляется при условии

U_МД>U_ДН.29 (1)

где U_МД - напряжение падения на базе магнитодиода 26, поступающее на второй вход (U_вх+) компаратора 28;

U_ДН.29 - напряжение с выхода делителя напряжения 29, поступающее на первый вход (U_вх-) компаратора 28.

Выходное напряжение делителя напряжения 29, U_ДН.29, пропорционально напряжению с потенциального выхода стабилизированного источника постоянного напряжения 32.

Напряжение падения на базе магнитодиода 26, U_МД, определяется:

- величиной напряжения с потенциального выхода источника постоянного напряжения 32;

- сопротивлением переменного резистора 27;

- сопротивлением базы магнитодиода 26, зависящим от величины поперечного магнитного поля.

А так как сопротивление базы магнитодиода 26 возрастает с увеличением поперечного магнитного поля, величина которого определяется величиной тока нагрузки стабилизатора протекающего в L-цепи 24, служащей одновитковой обмоткой магнитопровода 25 с воздушным зазором, момент срабатывания компаратора 26 будет определяться величиной тока нагрузки и предварительно установленной величиной сопротивления переменного резистора 27.

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, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей при одновременном повышении надежности. Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока содержит: резонансный инвертор, состоящий из МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа, МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа 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; блок защиты, состоящий из L-цепи, служащей одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, магнитодиода, переменного резистора, компаратора, делителя напряжения, JK-триггера, дифференцирующей цепи, стабилизированного источника постоянного напряжения; два входных и два выходных зажима. 2 ил.

Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока, содержащий: резонансный инвертор, в состав которого входит конденсатор 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; два входных и два выходных зажима, причем: второй вывод источника питания соединен с 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, отличающийся тем, что в устройство введены блок защиты, у которого: первый и второй входы 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, а в состав резонансного инвертора - МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа и МДП-транзистор с индуцированным каналом p-типа, причем: сток МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа соединен с первым выводом (положительной полярности) источника питания, а исток соединен с первым выводом конденсатора инвертора и истоком МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа, сток которого соединен со вторым выводом отрицательной полярности источника питания, первыми выводами фазосдвигающего конденсатора и первой первичной обмотки трансформатора; первый, второй и третий выводы распределителя импульсов, входящего в состав системы стабилизации напряжения, соединены, соответственно, с затвором МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа, истоками обоих транзисторов, затвором МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа, при этом блок защиты содержит магнитопровод с воздушным зазором, L-цепь, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, в котором расположен магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK-триггер, дифференцирующую цепь, стабилизированный источник постоянного напряжения, причем: первый и второй входы стабилизированного источника постоянного напряжения подключены к первому и второму входам блока защиты; нулевой выход стабилизированного источника постоянного напряжения заземлен; потенциальный выход стабилизированного 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.