Устройство для заряда конденсатора Советский патент 1981 года по МПК H03K3/53 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА КОНДЕНСАТОРА

1

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для заряда накопительных конденсаторов , находящих применение в качестве источников импульсной мощности, входящих в состав автономных источников питания бортовых систем,

.Известно устройство для заряда конденсатора по основному авт.св. № 554613, содержащее первичный источник питания, импульсный регулятор, входы и выходы которого зашунтированы соответственно входным и выходным конденсаторами, накопительный конденсатор и подключенный первым входом к первому выходу импульсного регулятора транзисторный конвертор, состоящий из двух транзис- торовJ эмиттеры которых объединены и подключены к минусовой клемме источника питания, а коллекторы - к выводам первичной обмотки трансформатора, средняя точка которой объе.динена с анодом первого разделительного диода, выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к анодам диодов, катоды которых объединены, плюсовая клемма первичного источника питания соедине- на с первым входом импульсного ре- .

гулятора, а минусовая клемма - через резистор - со вторым входом импульсного регулятора, причем импульсный регулятор содержит устройство управления, подключенное одним входом через источник опорного напряжения к минусовой клемме первичного источника питания транзистор, соединенный коллектором

10 с первым входом импульсного регулятора, а базой - с первым выходом устройства управления, дроссель, первый конец вторичной обмотки которого соединен с вторым входом

15 устройства управления, ивключенную между первым концом .его вторичной обмотки и вторым входсэм импульсного регулятора цепочку из Д1зух резисторов, точка соединения которых

20 подключена к первому концу первич-ной обмотки дросселя, второй конец которой, соединенный с эмиттером транзистора и вторым -выходом устройства управления, подключен

25 через первый разделительный, диод к первому выходу импульсного регулятора, а второй конец вторичной обмотки дросселя подключен через второй разделительный диод к одной

30 из обкладок накопительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена со входом импульсного регулятора Известное устройство обеспечивает преобразование постоянного напряжения первичного источника в напряжение большей величины с выходной нагрузочной характеристикой, содержащей участки неизменного ,тока (начальный участок), неизменно мощности (в процессе заряда накопительного конденсатора) и неизменного напряжения (после заряда накопительного конденсатора до требуемого номинального уровня).

Недостатком известного устройства является зависимость его максимального выходного напряжения (максимального напряжения на накопительном конденсаторе) от изменения входного напряжения vcтpoйcтвa (от напряжения первичного источника питания) .

Это обстоятельство налагает жесткие требования на стабильность напряжения первичных источников питания и, следовательно, на выбор источника питания.

Для поддержания требуемого максимального уровня выходного напряжения (напряжение на накопительном конденсаторе) в устройстве для заряда конденсатора используют высокостабильные первичные источники питания, которые имеют, как правило, большой вес и габариты, что ограничивает возможности использования таких устройств, например, в качестве автономных источников питания бортовых систем.

Уменьшение же напряжения первичного источника питания (наприме в результате старения или разряда) ниже номинального уровня приводит к снижению максимального напряжени на накопительном конденсаторе ниже допустимого значения, т.е. ведет к сокращению срока службы устройства в целом.

Целью изобретения является увеличение срока слу55 бы, уменьшение веса и габаритов устройства для заряда конденсатора путем уменьшения влияния изменений входного напряжения устройства на максимальный уровень его выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем,что в устройство для заряда конд| нсатора, содержащее первичный источник питания, импульсный регулятор, входы и выходы которого зашунтированы соответственно входным и вЕзисодным конденсаторами, накопительныЛ конденсатор и подклю.ченный первым входом к первому выходу импульсного регулятора транзисторный конвертор, состоящий из двух транзисторов, эмиттеры которых об7 единены и 11олк;и;-1сиы к MUHycoBOft клег-1ме источника питания а коллекторы - к выводам первичноП обмотки трансформат(зра, средняя точка котороп объединена с анодом первого разделительного диода, выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к анодам диодов, катоды которых объединены, плюсовая клемма первичного источника питания соединена с первым входом импульсного регулятора, а минусовая клемма - через резистор со вторым входом импульсного регулятора, причем импульсный регулятор содержит устройство управления, подключенное одним входом через источник опорного напряжения к минусовой клемме первичного источника питания транзистор, соединенный коллектором с первым входом импульсного регулятора, а базой - с первым выходом устройства управления, дроссель, первый конец вторичной обмотки которого соединен с вторым входом устройства управления, и включенную между первым концом его вторичной обмотки и вторым входом импульсного регулятора цепочку из двух резисторов, точка соединения которых подключена к первому концу первичной обмотки дросселя, второй конец которой, соединенный с эмиттером транзистора и вторым выходом устройства управления, подключен через первый разделительный диод к первому выходу импульсного регулятора,, второй конец вторичной обмотки дросселя подключен через второй разделительный диод к одной из обкладок накопительного конденсатора вторая обкладка которого соединена со BTOptJM входом импульсного регулятора, введены второй источник опорного напряжения, подключенный минусом к точке соединения эмиттеров транзисторов конвертора,вторая цепочка из двух резисторов, включенная между средней точкой первичной обмотки трансформатора транзисторного конвертора и минусом второго источника опорного напряжения, второе устройство управления, подключенное первым входом к минусу второго источника опорного напряжения, а выходами - соответственно к базам транзисторов конвертора, устройство сравнения, один вход которого подключен к плюсу второго источника опорного напряжения, другой - к точке соединения резисторов второй цепочки, а выход - ко второму входу второго устройства управления, 1 второй дроссель, включенный между объединенными катодами диодов и плюсовой клеммой источника питания.

Такое схемное решение устройства для заряда конденсатора позволяст по достижении на накопительном конденсаторе требуемого уровня напряжения осуществлять регулирование величины напряжения, при котором происходит рекуперация мощности, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения питания конветора и, как следствие, стабилизация максимального уровня заряда накопительного конденсатора.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства для заряда конденсатора.

Устройство для заряда конденсатора содержит устройство управления 1, первый развязывающий диод 2 транзисторный конвертор 3, накопительный конденсатор 4, второй раз,вязывающий диод 5, первичный источник питания 6, источник опорного напряжения 7, резисторы 8-10, транзистор 11, дроссель 12 и импульсный регулятор 13 с выходным конденсатором 14, при этом первичный источник питания 6 соединен плюсовой клеммой с коллектором транзистора 11, эмиттер которого соединен с выходом устройства управления 1, первый вход которого чере источник опорного напряжения 7 соединен с отрицательной клеммой источника питания 6, которая соединена с цепочкой резисторов 8, 9 и 10, общая точка резисторов 9 и 10 подсоединена к выводу первичной обмотки дросселя 12, другой вывод которой подсоединен к общей точке эмиттера транзистора 11 и катода первого диода 2, а вторичная обмотка дросселя 12 подсоединена одним выводом к свободному выводу резистора 9, другим выводом к катоду второго диода 5, анод которого подсоединен к одной обкладке накопительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена с общей точкой резисторов 8 и 10, транзисторный конвертор 3 содержит транзисторы 15 и 16, эмиттеры которых объединены, а коллекторы подкл эчены к выводам первичной обмотки трансформатора 17, и диоды 18 и 19, подключенные анодами к выводам вторичной обмотки трансформатора 17, второй источник опорного напряжения 20, втору э цепочку из двух резисторов 21 и 22, включенну между первичной обмоткой трансформатора 17 и минусом второго источника опорного напряжения 20, второе устройство 23 управления, выполненное в виде широтно-импульсно модулятора, подключенное первым входом к минусу второго источника опорного напряжения 20, а вьлходами - соответственно к базам транзисторов 15 и 16, и устройство сравнения 24, один вход которого подключен к плюсу второго источниЧа опорного напряжения 20, второй к точке соединения резисторов 21 и 22, а выход - ко второму входу устройства управления 23, второй дроссель 25 включен между транзисторным конвертором 3 и первичным источником питания 6, а плюсовая клемма первичного источника питания соединена с входным конденсатором 26, другая обкладка которого соединена с общей точкой ре0зисторов 8 и 10.

Устройство для заряда конденсатора работает следующим образом.

Устройство управления 1 вырабатывает импульсы тока, отпирающие

5 на время накопления транзистор 11 и запира ощие его на время отдачи энергии. Накопление энергии дросселем 12 осуществляется подключением его первичной обмотки I через отпер0тый транзистор 11 к первичному источнику питания 6, а отдача энергии происходит через разделительный диод 2, первичную обмотку I дросселя 12, резистор 10 в выходной конденсатор 14 импульсного регулятора

5 13, и через второй разделительный диод 5, вторичную обмотку It дросселя 12, резисторы 9 и 10 - в накопительный конденсатор 4.

0

На начальном участке заряда накопительного конденсатора 4 ток, протека о1дий во время накопления энергии дросселем 12 через резистор 8, имеет незначительную величину, i

5 вследствие чего падение напряжения на резисторе 8 не превышает величины напряжения источника опорного напряжения 7 и поэтому не оказывает влияния на работу устройст0ва управления 1.

Во время отдачи энергии дросселем 12 токи, протекающие через резисторы 9 и 10, имеют значительную величину,и, следовательно, Псщение напряжения на последовательно соеди5ненных резисторах 9, 10 значительно больще падения напряжения на резисторе 8.

В тот ,когда падение напряжения на резисторах 9, 10 превы0сит величину напряжения источника опорного напряжения 7, во входной цепи устройства управления изменяется полярность напряжений, что вызывает уменьшение- длительнос5ти .отпирающих импульсов и увеличение длительности запирающих импульсов, т.е. ведет к уменьшению времени накопления и увеличению времени отдачи энергии.

0

Таким образом, на начальном участке заряда накопительного конденсатора 4 осуществляется стабилизация величины его зарядного тока, т.е. устройство работает в режиме

5 постоянного тока.

В процессе дальнейшего заряда накопительного конденсатора 4 происходит узеличение энергии, накопленной дросселем 12, что обусловлено возрастанием тока, потребляемого импульсным регулятором 13 от первичного источника питания 6. В то же время происходит уменьшение тока, протекающего по цепям первичной I и вторичной II обмоток дросселя 12, во время отдачи энергии. Поэтому падение напряжения на последовательно соединенных резистора 9, 10 становится меньше падения напряжения на резисторе 8.

В тот момент, когда падение напряжения на резисторе 8 превышает величину напряжения источника опорного напряжения 7, произойдет дальнейшее уменьшение длительности отпирающих импульсов и соответственное увеличение длительности запирающих импульсов, вырабатываемых устройством управления 1. Величина входного тока, протекающего через транзистор 11, при этом уменьшается.

Таким образом, по мере увеличения напряжения на накопительном коденсаторе 4 ток заряда изменяется по такому закону, что величина мощ ности, отбираемой от первичного источника питания 6, поддерживается неизменной , и устройство работает в. режиме неизменной мощности.

По мере роста напряжения на накопительном конденсаторе 4 возрастет величина выходного напряжения импульсного регулятора 13, и соответственно, величина выходного напряжения транзисторного конвертора 3.

В тот момент, когда выходное напряжение транзисторного конвертора 3 превысит величину напряжения первичного источника питания б, происходит отпирание выполненного диодах 18, 19 двухполупериодного выпрямителя, и энергия, отбираемая импульсным регулятором 13 от источника питания б, возвращается через транзисторный конвертор 3 на вход импульсного регулятора 13. В этом случае мощность, отбираемая от источни а б, расходуется лишь на покрьЗтие потерь в импульсном регуляторе 13 и транзисторном коизгрторе 3, следовательно, напряженке :ia выхсйе импульсного регулятор i-3 (т.4...на входе транзисторного конвертора 3) поддерживается псстоянным, что обеспечивает постояп7г:чй максимальный уровень напряжения на накопительном конденсаторе 4, и устройство работает в режиме неизменного напряжения.

Максимальный уровень заряда накопительного конденсатора 4 должен быть несколько ниже его прздельного уровня заряда, ограниченного возможностями первичного источника питания б и коэффициентом трансформации дросселя 12, и этот уровень определяется выбором величины напряжения второго источника опорного напряжения 20.

Второе устройство управления 23 управляет транзисторами 15, 16 конвертора 3, подавая в их цепь управления отпирающие импульсы, начальную длительность которых устанавливают существенно .меньше Т/2, где Т - пёриод преобразования.

Импульсы такой длительности поступают в цепь управления транзисторов 16, 15 в процессе заряда накопительного конденсатора 4, т.е. при работе устройства в режимах постоянного тока и постоянной мощности

При заряде накопительного конденсатора 4 до требуемого максимального уровня, напряжение на конверторе 3 достигает значения, при котором падение напряжения на резисторе 22 превышает установленное опорное напряжение источника опорного напряжения 20, что вызывает изменение полярности сигнала, поступающего на вход устройства 23 упрвления с выхода устройства 24 сравнения. В результате увеличивается длительность отпирающих импульсов, формируемых устройством управления 23, причем тем больше, чем больше превышение действительного напряжения на накопительном конденсаторе 4 над требуемым максимальным уровнем.

При изменении длительности отпирающих импульсов изменяется уровень напряжения, при котором начинается рекуперация мощности, бл годарячему обеспечивается стабилизция выходного напряжения импульсного регулятора 13, и соответственн стабилизация максимального уроЕНЯ напряжения-, накопленного на конденсаторе 4. Дроссель 25 обеспечивает усреднение мощности, возвра1даемой через транзисторный конвертор 3 на вход импульсного регулятора 13. .

Если ) напряжение на накопительном конденсаторе 4 опускается ниже требуемого максимального уровня, то устройство для заряда конденсатора работает в описанном ранее режиме постоянной мощности, пока конденсатор 4 не зарядится до требуемого уровня.

В случае снижения напряжения первичного источника питания б ниже номинального значения (например, з результате старения или разряда) устройство продолжает поддерживать требуемый максимальный уровень выходного напрях ения за счет превышен предельного уровня заряда накопителного конденсатора 4 над требуемым,

установленным с помощью второго источника опорного напряжения 20.

Таким образом, введение в устройство для заряда конденсатора новых элементов значительно уменьшает влияние изменений входного напряжения на максимальный уровень его выходного напряжения.

Формула изобретения

Устройство для заряда конденсатора по авт. св. № 554613, отличающееся тем, что, с целью увеличения срока службы, уменьшения веса и габаритов устройства, в него введены второй источник опорного напряжения, подключенный минусом к точке соединения эмиттеров транзисторов конвертора, вторая цепочка из двух резисторов, включенная меходу средней точкой первичной

обмотки трансформатора транзисторного конвертора и минусом второго источника опорного напряжения, второе устройство управления, подключенное первым входом к минусу второго источника опорного напряжения, а выходами - соответственно к базам транзисторов конвертора, устройство сравнения, один вход которого подключен к плюсу второго источника опорного напряжения, друoгой - к точке соединения резисторов второй цепочки, а выход - ко второму входу второго устройства управления, и второй дроссель, включенный меходу объединенными

5 катодами диодов и плюсовой клеммой источника питания.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР

0 № 554613, кл, Н 03 К 4/50, 1977.