Устройство для стабилизации переменного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M5/257 

Изобретение относится к электротехнике, в частности преобразовательной технике для стабилизации переменного напряжения и может применяться в качестве источника питания потребителей переменного тока.

Стабилизатор переменного напряжения содержит согласующий трансформатор, силовая вторичная обмотка которого подключена к выходным выводам, вспомогательный трансформатор, вторичная обмотка которого включена последовательно с питающей сетью, и ключи переменного тока, связывающие отпайки первичной и вторичной обмоток вспомогательного и согласующего трансформатора. За счет ключей переменного тока осуществляется изменение напряжения на вторичной обмотке вспомогательного трансформатора в зависимости от величины напряжения на

входных выводах В качестве ключей переменного тока могут применяться как тиристоры, так и транзисторы. На этой структуре может реализоваться дискретный стабилизатор и стабилизатор с ШИМ, обеспечивающий повышенную стабильность выходного напряжения.

Недостатком данного технического решения является низкая надежность и КПД при реализации ШИМ особенно при малой мощности стабилизатора (до 200-300 Вт), когда блок управления достаточно сложный и требует для себя вспомогательный источник.

Кроме того, здесь не рассмотрены вопросы устранения сквозных токов и самозащиты транзисторов при перегрузке по току.

Стабилизатор переменного напряжения содержит вспомогательный трансферVJ

4 00

оо

Ю

ю

матор, вторичная обмотка которого включена последовательно с питающей сетью в цепь нагрузки, фильтр переменного тока, согласующий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к выходным выводам, двухтактный реверсивный усилитель, вход которого через выпрямитель связан со вспомогательной вторичной обмоткой согласующего трансформатора, а выход- с первичными обмотками вспомогательного трансформатора, блок управления, включающий датчик рассогласования и широтно-импульсный модулятор, обеспечивающий необходимый закон управления ключами усилителя.

Недостатком данного технического решения является низкая надежность и КПД особенно для стабилизаторов малой мощности (до 200-300 Вт), когда достаточно сложный блок управления требует вспомогательный источник питания большой мощности. Кроме того рассматриваемый преобразователь работает до определенного соотношения длительности режимов вольтодобавки и вольтоотбавки (при наличии конденсатора на выходе выпрямителя). Необходимым условием при этом должно быть, что длительность режима вольтоотбавки не должна превышать длительности режима вольтодобэвки.

Кроме того не рассмотрены вопросы устранения сквозных токов и самозащиты транзисторов при перегрузках по току.

Наиболее близким к предлагаемому является стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого подключена через первый ключ переменного тока по входным выводам, а вторичная через фильтр переменного тока - к выходным выводам, и блок управления. При этом вторичная обмотка указанного трансформатора эашунтировэна вторым ключом переменного тока, работающего в противофазе с первым ключом переменного тока, обеспечивающего протекание тока нагрузки при выключенном первом ключе переменного тока и сохраняющего форму напряжения на входе фильтра переменного тока независимо от параметров нагрузки.

Недостатком данного технического решения является низкая надежность и КПД особенно при малых мощностях стабилизатора (до 200-300 Вт). Обусловлено это во- первых, относительно сложным блоком управления, для которого необходимо иметь источник питания, во-вторых, необходимо решать проблему устранения сквозных токов в ключах переменного тока, обусловленную различным временем включения и выключения транзисторов ключей переменного тока, в-третьих, повышенными потерями энергии за счет коммутации всей мощности нагрузки. Последний недостаток

при заданном диапазоне регулирования выходного напряжения в практических вариантах устраняют за счет введения согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого включена последователь0 но со вторичной обмоткой рассмотренного трансформатора.

Кроме того, здесь не решены вопросы самозащиты транзисторов при перегрузке по току.

5 Целью предлагаемого технического решения является повышение надежности и КПД за счет упрощения блока управления со своим источником питания, устранения сквозных токов в транзисторах при их ком0 мутации и самозащиты транзисторов при перегрузках по току.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для стабилизации переменного напряжения, содержащее повышающий

5 трансформатор, первичная обмотка которого подключена через первый ключ переменного тока на транзисторе к входным выводам, а вторичная обмотка включена последовательно в цепь между первым вход0 ным выводом и входным выводом фильтра, другой входной вывод которого соединен со вторым входным выводом, а его выходные выводы образуют выходные выводы, второй ключ переменного тока на транзисторе,

5 шунтирующий одну из обмоток повышающего трансформатора, блок обратной связи, включающий датчик рассогласования, соединенный входом через выпрямитель и дополнительный трансформатор с выходными

0 выводэми а выходом с усилителем мощности и блок управления, включающий генератор импульсов с выходным трансформатором, дополнительно введены три формирователя импульсов с трансфор5 маторами на выходе, два вспомогательных трансформатора, насыщающийся трансформатор на двух магнитопроводах с прямоугольной петлей гистерезиса, на каждом из которых расположены обмотки управле0 ния, а рабочая обмотка намотана на оба магнитопровода одновременно и имеет среднюю точку, подключенную к базе транзистора первого ключа переменного тока, блок управления выполнен в виде последо5 вательно соединенных генератора импульсов, триггера, разноименные выходы которого соединены через соответствующие одновибраторы с сумматором, выход которого образует первый выход блока управления и связан со входом третьего формирователя импульсов, кроме того разноименные выходы триггера соединены через соответствующие предварительные усилители со входом основного усилителя, трансформатор на выходе которого является выходным трансформатором блока управления, при этом концы рабочей обмотки на- сыщаюицегося трансформатора через введенные коммутирующие диоды подключены к концам первой вторичной обмотки выходного трансформатора блока управления, средняя точка которой подключена к эмиттеру транзистора первого ключа переменного токз, две первичные обмотки первого вспомогательного трансформатора соединены последовательно со второй и третьей вторичными обмотками выходного трансформатора блока управления, сформированная цепь через введенные первые отсекающие диоды подключена к коллек- торно-эмиттерному переходу транзистора первого ключа переменного тока и через введенные вторые отсекающие диоды - ко входу первого формирователя импульсов, вторичная обмотка трансформатора которого через введенный первый вспомогательный диод связана с базо-змиттерным переходом транзистора второго ключа переменного тока, а две вторичные обмотки первого вспомогательного трансформатора через введенные первые выпрямительные диоды связаны с базо-змиттеркым переходом транзистора первого ключа переменного тока, первичные обмотки второго вспомогательного трансформатора соединены последовательно с четвертой и пятой вторичными обмотками выходного трансформатора блока управления и образованная цепь через введенные третьи отсекающие диоды подключена к коллек- торно-эмиттерному переходу транзистора второго ключа переменного тока и через четвертые отсекающие диоды - ко входу второго формирователя импульсов вторичная обмотка трансформатора которого через введенный второй вспомогательный диодсвязана сбазо-эмиттерным переходом транзистора первого ключа переменного тока, а две вторичные обмотки второго вспомогательного трансформатора через введенные вторые выпрямительные диоды связаны с базо-эмиттерным переходом транзистора второго ключа переменного тока, вторичная обмотка трансформатора третьего формирователя имгульсов через введенный третий вспомогательный диод подключена к бэзо-змиттерному переходу транзистора второго ключа переменного тока, обмотки упргвления насыщающегося трансформатора соединены встречно-последовательно между собой и подключены к выходу усилителя мощности блока обратной связи.

На фиг. 1 представлена схема предлага- емого устройства; на фиг. 2 - блок управления и третий формирователь импульсов; на фиг. 3 - первый формирователь импульсов (второй выполнен на этой же схеме); на фиг.

0 4-блок обратной связи; на фиг. 5-диаграммы напряжений на элементах схемы; на фиг. 6 - диаграммы импульсов управления.

5Устройство содержит (см. фиг.1) повышающий трансформатор 1, первичная обмотка которого подключена через первый ключ переменного тока на транзисторе 2 к входным выводам 3,4, а вторичная обмотка

0 5 включена последовательно в цепь между первым входным выводом 3 и первым входным выводом фильтра 6, другой входной вывод которого соединен со вторым входным выводом 4. а его выходные выводы об5 разуют выходные выводы, второй ключ переменного тока на транзисторе 7, шунтирующий одну из обмоток согласующего трансформатора 1, блок обратной связи 8 и блок управления 9, три формирователя им0 пульсов 10, 11, 12 с. трансформаторами 13, 14, 15 на выходе, два вспомогательных трансформатора 13, 17, насыщающийся трансформатор на двух магнитог.роводах 18, 18с прямоугольной пптлей гистерезиса,

5 на каждом из которых распслохены обмотки управления 20, 21, а ра5о1.Јч иЗмотка 22 намотана на оба магчитсмровода 18, 19 одновременно и :-,меет среднюю точку, подключенную к базе транзистора 2 первого

0 ключа переменного тока, концы рабочей обмотки 22 насыщающегося трансформатора через коммутирующие диоды 23.24 подключены к концам первой вторичной обмотки 25 выходного трансформатора 26 блок управления 9, средняя точка которой подключена

5 к эмиттеру транзистора 2 первого ключа переменного тока, дзе первичные обмотки 27, 28 первого вспомогательного трансформатора 16 соединены последовательно со второй 29 и третьей 30 вторичными обмотками

0 выходного трансформатора 26 блока управления, сформированная цепь через первые отсекающие диоды 31, 32 подключена к кол- лекторно-э ииттерному переходу транзистора 2 первого ключа переменного тока и

5 через вторые отсекающие диоды 33, 34 - ко входу первого формирователя импульсов 10, вторичная обмотка 35 трансформатора 13 которого через первый вспомогательный диод 3G связана с базо-змиттерным переходом транзистора 7 второго ключа переменного тока, а две вторичные обмотка 37, 38 первого вспомогательного трансформатора

16через первые выпрямительные диоды 39, 40 связаны с базо-эмиттерным переходом транзистора 2 первого ключа переменного тока, первичные обмотки 41, 42 второго вспомогательного трансформатора 17 сое- динены последовательно с четвертой 43 и пятой 44 вторичными обмотками выходного трансформатора 26 блока управления 9 и образованная цепь через третьи отсекающие диоды 45, 46 подключена к коллектор- но-эмиттерному переходу транзистора 7 второго ключа переменного тока и через четвертые отсекающие диоды 47, 48 - ко входу второго формирователя импульсов

11, вторичная обмотка 49 трансформатора 14 которого через второй вспомогательный диод 50 связана с базо-эмиттерным переходом транзистора 2 первого ключа переменного тока, а две вторичные обмотки 51, 52 второго вспомогательного трансформатора

17через вторые выпрямительные диоды 53, 54 связаны с базо-эмиттерным переходом транзистора 7 второго ключа переменного тока, вторичная обмотка 55 трансформатора 15 третьего формирователя импульсов 12 через третий вспомогательный диод 56 подключена к базо-эмиттерному переходу транзистора 7 второго ключа переменного тока, обмотки управления 20, 21 насыщающегося трансформатора соединены встречно-по- следовательно между собой и подключены

к выходу усилителя мощности блока обратной связи 8.

При этом блок управления 9 (см. фиг. 2) выполнен в виде последовательно соеди- ненных генератора импульсов 57, триггера 58, разноименные выходы которого соединены через соответствующие одновибрато- ры 59, 60 с сумматором 61, выход которого образует первый выход блока управления 9 и связан со входом третьего формирователя импульсов 12, выполненного на основе транзистора 62, кроме того разноименные выходы триггера 58 соединены через предварительные усилители мощности 63 64 со входом основного усилителя мсгЩности 65 с трансформатором 26.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения первого (второго) формирователя импульсов 10, который включает делитель напряжения на резисторах 66, 67, источник опорного напряжения на резисторе 68 и стабилитроне 69, амплитудный компаратор 70, одновибратор 71 и оконечный усилитель мощности на основе транзистора 72.

На фиг.4 представлен блок обратной связи 8, включающий датчик рассогласования на резисторах 73,74, 75 и стабилитроне 76, соединенный входом через выпрямитель и дополнительный трансформатор 77 с

выходными выводами, а выходом - с усилителем мощности, выполненном на операционном усилителе 78 и транзисторе 79.

На фиг. 5 представлены входное напряжение 80, напряжение 81 на обмотках повышающего трансформатора 1, напряжение 82, подаваемое на фильтр 6,

На фиг. 6 представлены напряжения: 83 - на обмотках трансформатора 26, 84 - на обмотках трансформатора 15 третьего фомрирователя импульсов, 85 - на вторичных обмотках трансформатора 14 второго формирователя импульсов, 86 - на переходе коллектор-эмиттер транзистора 2 первого ключа переменного тока, 87 - на вторичных обмотках трансформатора 13 первого формирователя импульсов, 88 - на переходе эмиттер-коллектор транзистора 7 второго ключа переменного тока.

Стабилизатор работает следующим образом. Предположим, что до момента времени to открыт транзистор 7 за счет протекания тока от обмотки 43 трансформатора 26 блока управления 9 по цепи 42-46-7- 43 и, следовательно, базового тока транзистора 7 за счет напряжения вторичной обмотки 52 вспомогательного трансформатора 17, В момент времени to (см. фиг,6) по переднему фронту напряжения 83 одновибратор 60 (см. фиг,2) формирует импульс напряжения 84, обеспечивающий на вторичной обмотке 55 трансформатора 15 запирающее напряжение для транзистора 7 длительностью to-t2 достаточной для выключения указанного транзистора при любой нагрузке. Выключение транзистора 7, например, в момент времени ti, приводит к снятию управляющего напряжения с обмоток 51-52 вспомогательного трансформатора 17. При этом второй формирователь импульсов 11 формирует по фронту напряжения запираемого транзистора 7 на вторичной обмотке 49 трансформатора 14 импульс напряжения 85, который обеспечивает включение транзистора 2 и подачу управляющего напряжения вторичную обмотку 3 7 вспомогательного трансформатора 16 за счет подключения его первичной обмотки 27 к обмотке 30 трансформатора 26 блока управления 9. При этом к правой полуобмотке 22 насыщающегося трансформатора прикладывается напряжение, пропорциональное сумме напряжений обмоток 37 и правой лолуобмотки 25. В момент времени t3 насыщаются магнитопроводы 18, 19 насыщающегося трансформатора и до момента времени м к базо-эмиттерному переходу транзистора 2 прикладывается запирающее напряжение правой полуобмотки 25, точнее (U25-U24U22). В момент выключения t3 транзистора 2 первый формирователь импульсов 10 формирует на вторичной обмотке 35 трансформатора 13 импульс напряжения 87, который обеспечивает включение транзистора 7. При включении указанного транзистора к первичной обмотке 41 вспомогательного трансформатора 17 прикладывается напряжение обмотки 44 трансформатора 26 блока управления, что обеспечивает поддержание базового тока транзистора 7 за счет напряжения обмотки 51 вспомогательного трансформатора 17. 8 момент времени t4 изменяется полярность напряжения на обмотках трансформатора 26 блока управления 9, на выходной обмотке 55 трансформатора 15 третьего формирователя импульсов 12 формируется импульс 84 длительностью t4-te и подается в-запирающей полярности на транзистор 7. В момент времени ts транзистор 7 выключается, снимается напряжение с обмоток 51 и 52 трансформатора 17, второй формирователь импульсов выдает на вторичную обмотку 49 трансформатора 14 импульс напряжения 85, который обеспечивает включение транзистора 2. Далее рабочий цикл повторяется. Для стабилизации выходного напряжения заведена отрицательная обратная связь по выходному напряжению следующим образом. Выходное напряжение (см. фиг,4)через трансформатор и выпрямитель 77 поступает на датчик рассогласования 73-76, выходное напряжение которого усиливается по мощности операционным усилителем 78 и транзистором 79 и подается на обмотки управления 20, 21. Предположим, что выходное напряжение по каким-то причинам увеличилось, что приводит к увеличению тока подмагничивзния насыщающегося трансформатора и, следовательно, к уменьшению времени насыщения ti-t3(cM, фиг. 6) транзистора 2 и уменьшению выходного напряжения. Рассмотренная обратная связь реализует классическую отрицательную обратную связь по отклонению выходного параметра.

Таким образом, предлагаемое техническое решение выгодно отличается от прототипа повышенным КПД и надежностью за счет отсутствия в схеме сквозных токов, упрощенным блоком управления, не требующего для себя мощного вспомогательного источника питанья, и самозащитой транзисторов при коротких замыканиях в нагрузке. Последнее свойство проявляется а том, что при перегрузках транзистор выходит из насыщения, что приводит к уменьшению напряжения на обмотках 37, 38. (51. 52} вспомогательного трансформатора. Это

еще больше приводит к уменьшению базового тока, т.е. происходит лавинный процесс выключения транзистора при перегрузках. Фор мула изобретен и я

Устройство для стабилизации переменного напряжения, содержащее повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена через первый ключ пе0 ременного тока на транзисторе к входным выводам, а вторичная обмотка включена последовательно в цепь между первым входным выводом и входным выводом фильтра, другой входной вывод которого соединен с

5 вторым входным выводом, а его выходные выводы образуют выходные выводы, второй ключ переменного тока на транзисторе, шунтирующий одну из обмоток согласующего трансформатора, блок обратной связи,

0 включающий датчик рассогласования, соединенный входом через выпрямитель и дополнительный трансформатор с выходными выводами, а выходом - с усилителем мощности и блок управления, включающий гене5 ратор импульсов с выходным трансформатором, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и КПД, дополнительно введены три формирователя импульсов г, трансформаторами нз выходе,

0 два вспомогательных трансформатора, насыщающийся трансформатор на двух маг- нитопроводах с прямоугольной петлей гистерезиса, на каждом из к ел орых расположены обмотки управления, з оабочзя обмот5 ка намотена на оба мггч топроаода одновременно и имеет среднюю точку, подключенную к базе транзистора первого клю ча переменного тока, блок управления выполнен в виде последовательно соеди0 ненных генератора импульсов, триггера, разноименные выходы которого соединены через соответствующие одновибрзторы с сумматором, выход которого образует первый выход блока управления и связан с вхо5 дом третьего формирователя импульсов, кроме того разноименные выходы триггера соединены через соответствующие предварительные усилители с входом основного усилителя, трансформатор на выходе кото0 рого является выходные трансформатором блока управления, при этом концы рабочей обмотки насыщающегося трансформатора через введенные коммутирующие диоды подключены к концам первой вторичной об5 мотки выходного трансформатора блока управления, средняя точка которой подключена к эмиттеру транзистора первого ключа переменного тока, дзе первичные обмотки первого вспомогательного трансформатора соединены последовательно с

второй и третьей вторичными обмотками выходного трансформатора блока управления, сформированная цепь через введенные первые отсекающие диоды подключена к коллекторно-эмиттерному переходу транзистора первого ключа переменного тока и через введенные вторые отсекающие диоды - к входу первого формирователя импульсов, вторичная обмотка трансформатора которого через введенный первый вспомогательный диод связана с базоэмнт- терным переходом транзистора второго ключа переменного тока, а две вторичные обмотки первого вспомогательного трансформатора через введенные первые выпря- мительные диоды связаны с базоэмиттерным переходом транзистора первого ключа переменного тока, первичные обмотки второго вспомогательного трансформатора соединены последовательно с четвертой и пятой вторичными обмотками выходного трансформатора блока управления и образованная цепь через введенные третьи отсекающие диоды подключена к коллекторно-эмиттерному переходу транзистора второго ключа переменного тока и через четвертые отсекающие диоды - к входу второго формирователя импульсов.

вторичная обмотка трансформатора которого через введенный второй вспомогательный диод связана с базоэмиттерным переходом транзистора первого ключа переменного тока, а две вторичные обмотки

второго вспомогательного трансформатора через введенные вторые выпрямительные диоды связаны с базоэмигтерным переходом транзистора второго ключа переменного тока, вторичная обмотка трансформатора третьего формирователя импульсов через введенный третий вспомогательный диод подключена к базоэмиттерному переходу транзистора второго ключа переменного

тока, обмотки управления насыщающегося трансформатора соединены встречно последовательно между собой и подключены к выходу усилителя мощности блока обратной связи.

Использование: изобретение относится к электротехнике, в частности преобразовательной технике. Сущность изобретения: стабилизация напряжения осуществляется за счет попеременного включения первого и второго ключей переменного тока на транзисторах, один из которых закорачивает первичную обмотку трансформатора, а другой подключает ее к сети. Управление транзисторами осуществляется блоком обратной связи, блоком управления и тремя формирователями импульсов с трансформаторами на выходе При перегрузках транзисторы выходят из насыщения, что приводит к уменьшению напряжения на обмотках вспомогательного трансформатора, при этом уменьшается базовый ток и происходит лавинный процесс выключения бил

Pvr.

IM

/А,

Uпи г.}

Фиг. 3

t/ы/х

tS

ФигЛ

&.

81

л ft

Par 5

/

&