Стабилизированный преобразователь постоянного тока Советский патент 1981 года по МПК H02M3/335 G05F1/56 

(54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в источниках питания лазеров. Известны истошики постоянного напряжения которые мотут быть применены для питания лазеров, состоящие из однотактното преобразо. вателя постоянного напряжения, транзисторный ключ которого управляется релейным усилителем, включенным в цепь обратной связи по то ку нагрузки 1 . Недостатком таких источников является их сравнительно низкая надежность и бол.ьшая амплитуда пульсаций выходного напряжения из-за различных времен переключений параллельно включенных транзисторов. Известны также источники постоянного тока, в которых повьппение надежности достигается за счет разбивки силовой части на ряд однотипных инверторов, нагруженных через автоном ные сглаживающие дроссели на многообмоточный трансформатор, вторичная обмотка которого через выпрямитель и фильтр подключена к нагрузке 2. Недостатком таких источников тока является их сложность, сравнительно низкий КПД и большие массогабариты из-за наличия многообмоточного трансформатора, дополнительного выпрямителя и общей схемы управления. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является импульсный 1 сгулятор постоянного тока, содержащий, по меньшей мере, две преобразовательных ячейки, подключенные параллельно входным и выхолкым выводам, управляющие входы которых присоединены к узлу управления 3. Недостатком такого устройства является сравнительно низкий КПД и возможность токовых перегрузок отдельных ячеек, что снижает надежность всего устройства, а также большая амплитуда пульсаций выходного напряжения и тока. Цель изобретения - повышение КПД и надежности, снижение амплитуды пульсаций тока нагрузки стабилизированного преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в стабилизированном преобразователе постоянного тока узел управления вьщоянен в виде элемента управления каждой из ячеек и общего органа управления, состоящего из датчика тока нагрузки, присоединенного к одному из входов схемы сравнения, другой вход котороц подключен к источйику опорного напряжения, а выход - через ограничитель напряжения соединен с одним из входов элементов управления, каждый из которых выполнен в виде релейного регулятора, подключенного другим входом к измерительному резистору и выходом - через усилитель мощности к управляющему входу преобразовательной ячейки.

Кроме того, в элемент управления, по крайней мере, одной преобразовательной ячейки введен компаратор с положительной обратной связью, выходом соединенный с усидштелем мощности и входом - с введенной цепочкой временной задержки, а в общий орган управления введен пороговый элемент, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, а выход - со всеми цепочками временной задержки.

На чертеже изображена принципиальная схема стабилизированного преобразователя постоянного тока газовых лазеров.

Источник содержит ряд транзисторных преобразовательных ячеек 11 - 5 выполненных по схеме однотактного прямого конвертора, каждая из которых содержит входной предохранитель 2, входную емкость 3, транзистор 4, LDC-фильтр 5, 6, 7, выходной предохранитель 8. Каждая преобразовательная ячейка содержит элемент управления, включающий релейньи регулятор 9, входом подключенный к измерительному резистору 10, а выходом - к усилителю мощности И, выход которого соединен с базой транзистора 4. По крайней мере, одна из преобразовательных ячеек содержит в себе цепочку 12 временной задержки и компаратор 13 охваченный положительной обратной связью 14 Общий орган управления включает датчик 15 тока нагрузки, схему 16 сравнемня, ограничитель 17 напряже шя и пороговый элемент 18. Входные выводы всех преобразовательных ячеек подключены к источнику питающего напряжения Е, а выходные выводы к потребителю 19, в цепь которого включен датчик 15 тока нагрузки. Компаратор 13, охваченный обратной связью 14, в N ячейках 1, соединен своим выходом с усилителем 11 мощности, а входом с выходом цепочки 12 временной задержки. Выход датшка 15 тока подключен к одному из входов схемы 16 сравнения, соединенной другим своим входом и источником опорного напряжения U , а выходом через ограничитель 17 напряжения со входом релейного регулятора 9 каждой преобразовательной ячейки, кроме того, выход схемы 16 сравнения через

пороговый элемент 18 подключен ко входу линии 12 задержки тех преобразовательных ячеек, в которых они имеются.

Преобразователь работает следующим образом.

П{Ж подаче входного питания Е все преобразовательные ячейки начинают работать в режиме стабилизации собсгвенного выходного тока, уровень которого задается выходным напряжением, снимаемым с выхода огра(шчителя 17 напряжения U . Так как при запуске преобразователя ток нагрузки не успевает мгновенно вырасти до номинального значения, напряжение Ui6 на выходе схемы 6 сравнения максимальНО.

с целью исключения токовых перегрузок преобразовательных ячеек li и Гц во время запуска максимальное напряжение, поступающее на управляющие входы элементов управления, ограничивается введенным для этого ограничителем 17. По мере нарастания тока на|рузки напряже1ше с выхода датчика 15 тока возрастает, а напряжение Ujg снижается вплоть до уровня, при котором ток по нагрузке устанавливается на номинальном значении. Выходной ток каждой ячейки определяется только величиной управляющего напряже1шя U , поступающего на один из входов релейного регулятора 9. Так как напряжение является общим

для всех элементов управления, то токовая загрузка всех преобразовательных ячеек получается одинаковой. При отказе одной из ячеек она отключается от общей цепи за счет выжигашш плавких предохранителей 2 или 8 в зависимости от вида отказа. Во время выжигания входного предохранителя остальные ячейки принципиально не могут перегружаться, а при выжигании выходного предохранителя каждая из работоспособных ячеек может загрузиться до величины, определяемой максимальным управляющим напряжением U . Ограничитель 17 выбирается с учетом, чтобы и не превышало допустимой величины. После выжигания предохранителя отказавщей ячейки ток нагрузки

вновь устанавливается на номинальном уровне. При этом токовая загрузка работоспособных ячеек увеличивается на величину, равную

N

, что при N 5-10 составN (N - 1)

ляет менее Ш-20% номинальной загрузки. Таким образом, в устрюйстве происходит автоматическое отключение неисправных преобразовательных ячеек, исключается при этом токовая перегрузка исправных ячеек, а ток потребителя поддерживается на заданном уровне и после отказа одной или нескольких ячеек. Надежность такого секционированного преобразовате585ля при постоянной избыточности резервных преобразователей тем выше, чем выше глубина секционирования, т.е. чем выше N. Так как элемент управления каждой из ячеек является автономным, то моменты переключения силовых транзисторов не совпадают между собой, что приводит к уменьшению как высокочастотных, так и шзкочастотных пульсаций на входе и выходе преобразователя. Это особенно заметно при большом числе преобразователей, поскольку именно в этом случае происходит наиболее полная компенсация пульсаций их выходных токов. Таким образом, предлагаемое изобретение надежнее известного, так как в нем исключены перегрузки отдельных преобразовательных ячеек из-за перераспр1еделения токов между ними, исключены перегрузки ячеек во время запуска преобразователя и иcключef ы перегруз ки при отказах и отключениях неисправных преобразовательных ячеек. В известном Преобразователе по мере умень шения уровня стабилизируемого тока происходит снижение КПД устройства, что наблюдается за счет возрастания относительной доли потерь на управление потерь в дросселях и динамических потерь в транзисторах. С целью обеспечения постоянства КПД преобразователя в устройстве предусмотрено авто матическое отключение лишних ячеек в случае уменьшения уровня стабилизации l, так как уменьшение напряжения U сопровождается снижением выходного напряжения схемы сравнения и, и напряжения управления U , что приводит к снижению выходных токов всех ячеек. Если U|6 достигает нижнего уровня срабатывания порогового устройства 18, по следнее срабатывает, а напряжение на его выходе становится отрицательным. Через некоторый интервал времени, определяемый временем задержки t, цепочки 12 в ячейке 1, , происходит переопрокндывание компаратора 13 в состоя1ше, при котором с выхода усилителя мощности 11 на транзистор 4 поступает запираюшее напряжение. Таким образом, ячейка I у, отключается (обесточивается), а ток нагруз ки уменьшается, что приводит к автоматическому росту Uj6 и и . Увеличение указанных напряжений приводит к росту токовой загрузки В1слюченных ячеек и переходу порогового устройства 18 в свое нейтральное состояние. Компаратор 13 поели переопрокидывания остается в новом состоянии, чем поддерживается отключенное состояние преобразователя после того, как пороговое устройство 18 переходит в нейтральное состояние. При дальнейшем умен шении уровня стабияизации 1 напряжение Uie вновь начинает уменьшаться пока при некотором значении U Ui6VTvin s произойдет нового срабатывания порогового устройства 18. В этом случае отключается п-1 ячейка, если она как н N-ая ячейка снабжена цепочкой временной задержки и компаратором. Процесс отключения лишних преобразовательных ячеек происходит вплоть до обесточивання всех ячеек, содержащих цепочки временной задержки и компараторы. Для того, чтобы ячейки отключались поочередно, времена задержки цепочек 12j , 2у.к т.д. выбраны разными, при этом t3(n) 1з(И-1) t3(n.2j И Т.Д. ДлЯ исключения режима неуправляемого отключения ячеек время задержки t3{) должно превышать интервал времени, в течение которого ток нагрузки после момента отключения лишней ячейки вырастает до номинального уровня. При увелнчении уровня стабилизации тока нагрузки наблюдается обратный процесс поочередного подключения ячеек, находящихся в отключенном состоянии. Аналогично, если при работе источника прюисходит отказ одной из ячеек, напряжение Ui6 возрастает до верхнего уровня срабатывания порогового устройства 18. Последнее срабатывает, при этом напряжение на ее выходе становится положительным и через время задержки tsti) происходит подключение i-й ячейки. Таким образом, в предлагаемом ycTpofirvt e число включенных ячеек строго определяется величиной стабилизируемого тока нагрузки, что повышает КПД преобразователя в целом. Кроме того, перевод лишних ячеек в режо1м холодного резерва существенно повышает надежность источника. Цепочка 12 временной задержки может быть выполнена в виде RC-цепи, включенной на входе компаратора 13, зашунтированном встречно-параллельно соединенными диодами. Диоды ограничивают уровень напряжения на хронирующей емкости н существенно повышают линейность изменения напряжения на емкости при Ui8 Ujj, где Уд - напряжение на открытом диоде (на чертеже). Предлагаемое устройство по сравнению с известным характеризуется большей надежностью, большим КПД н меньшей амплитудой пульсаций тока нагрузкн. Формула изобретения 1. Стабилизированный преобразователь постоянного тока, содержащий, по меньшей мере, ве преобразовательных ячейки, подключенные араллельно входным и выходным выводам, правляющие входы которых присоединены к злу управления, отличающийся ем, что, с целью повышения надежносги н

785

снижения уровня пульсации тока нагрузки, узел управления выполнен в виде элемента управления каждой из ячеек и общего органа управления, состоящего из датчика тока нагрузКи, присоединенного к одному из входов схемы сравнения, другой вход которой подключен к источнику опорного напряжения, а выход через ограничитель напряжения соединен с одним из входов элементов управления, кажд)яй из которых выполнен в виде релейного регулятора, подключенного другим входом к измерительному резистору и выходом - через усилитель мощности к управляющему входу преобразовательной ячейки.

ней мере, одной преобразовательной ячейки введен компаратор с положительной обратной связью, выходом соединенный с усилителем мощности и входом - с введенной цепочкой временной задержки, а в обший орган управления введен пороговый элемент, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, а выход со всеми цепочками временной задержки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

3.Патент США N 4017745, кл. Н 03 К 17/60 1976.