Устройство для зарядки конденсатора

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках питания лазеров и блоках питания телевизоров. Устройство содержит источник питания 1, дозирующий дроссель 2, транзисторный ключ 3, датчик тока 4, диод 5, накопительный конденсатор 6, схему сравнения 7, источник опорного напряжения 8, управляемый задающий генератор 9, триггер управления 10, оптопару 11, изолирующий усилитель мощности 12. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Устройство относится к электротехнике и может быть использовано, в источниках питания лазеров и блоках питания телевизоров.

Известно устройство "Источник питания газового лазера ЛГ-52" (см. Паспорт лазера ЛГ-52 1987), включающее выпрямитель напряжения промышленной сети с фильтром, транзисторный коммутатор, импульсный трансформатор, выходной выпрямитель, схему измерения постоянного выходного тока и формирователь импульсов управления транзисторным коммутатором.

Это устройство не может быть использовано для быстрого заряда накопительных конденсаторов, например, для питания твердотельных лазеров из-за малой мощности (70 Вт) и неперспективности параллельного включения большого числа источников питания из-за низких удельных характеристик (67 кг/кВт, 78 литров/кВт) и сложности принципиальной схемы устройства.

Известно устройство для зарядки конденсатора, обладающее улучшенными массогабаритными характеристиками, включающее источник питания постоянного напряжения, параллельно которому подключена последовательная цепь из первичной обмотки дозирующего дросселя и транзисторного ключа, один вывод вторичной обмотки дозирующего дросселя подключен через обратный диод к обкладке накопительного конденсатора, вторая обкладка которого подключена к отрицательной клемме источника питания постоянного напряжения, обмотки включены согласно: первую и вторую схемы сравнения, первые входы которых подключены к первому и второму источникам опорных напряжений, второй вход второй схемы сравнения присоединен к выходу интегратора, входные клеммы которого подключены к первичной обмотке дозирующего дросселя, а второй вход первой схемы сравнения соединен с накопительным конденсатором, выход второй схемы сравнения подключен к второму входу триггера, выход первой схемы сравнения связан с входом управляемого задающего генератора, выход которого соединен с первым входом триггера, а выход триггера через усилитель мощности подключен к управляемому входу ключевого транзистора, второй вывод вторичной обмотки дросселя подключен к точке соединения одного вывода транзисторного ключа с первичной обмоткой дросселя, второй вывод которого подключен к отрицательной клемме источника питания постоянного напряжения.

Это устройство имеет существенно ограниченные функциональные возможности по питанию. Оно не может работать от источника питания с относительно высоким уровнем напряжений на его выводах, например, ±150 В, т.е. от выпрямленного и отфильтрованного напряжения промышленной сети 220 В, 50 Гц, так как один из выводов источника питания закорачивается на землю. Кроме того, при увеличении напряжения источника питания, интегратор устройства подвергается воздействию высокого импульсного напряжения превышающего в несколько раз напряжение источника питания. При повышенном напряжении питания более вероятно насыщение сердечника дозирующего дросселя, приводящее к аварийному режиму, а интегратор не позволяет получить информацию о начале процесса насыщения. Устройство подвержено влиянию помех, поступающих по выводам источника питания, из-за наличия гальванической связи элементов синхронизации с общим выводом источника питания. Это устройство имеет сравнительно сложную электрическую схему. Последние две причины делают нецелесообразным создание установок содержащих большое количество параллельно включенных устройств, с целью быстрого заряда накопительного конденсатора от одного источника питания.

Кроме того, в устройстве не предусмотрена защита от воспламенения, а, как известно, например, из практики работы телевизоров, при плотной упаковке деталей зарядных устройств вероятность воспламенения отлична от нуля. При параллельной работе большого количества устройств воспламенение одного устройства может вызвать выключение источника питания и прекращение заряда накопительного конденсатора.

Целю изобретения является увеличение допустимого уровня входных напряжений и помехоустойчивости устройства при его упрощении.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для зарядки конденсатора, включающем источник питания постоянного напряжения, параллельно которому подключена последовательная цепь из первичной обмотки дозирующего дросселя и транзисторного ключа, один вывод вторичной обмотки дозирующего дросселя подключен через обратный диод к первой обкладке накопительного конденсатора, обмотки включены согласно; схему сравнения, первый вход которой подключен к первой обкладке конденсатора, второй - к источнику опорного напряжения, выход - к входу управляемого задающего генератора, выход которого соединен с первым входом триггера управления, а выход триггера управления через изолирующий усилитель мощности подключен к управляющему входу ключевого транзистора, второй вывод источника опорного напряжения соединен с второй обкладкой конденсатора, последовательно с транзисторным ключом включен датчик тока, выход которого соединен к входу оптопары с прямым прохождением лучей излучателя к приемнику, выход оптопары подключен к второму входу триггера управления, второй вывод вторичной обмотки дозирующего дросселя подключен к второй обкладке накопительного конденсатора.

С целью повышения надежности работы устройства оптопара выполнена с открытым оптическим каналом, причем детали устройства располагаются в поле зрения приемника оптопары.

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - диаграммы токов и напряжений.

Устройство включает в себя (фиг. 1) источник питания 1, дозирующий дроссель 2 с первичной 2.1 и вторичной 2.2, обмотками, транзисторный ключ 3, датчик тока 4, диод 5, накопительный конденсатор 6, схему сравнения 7, источник опорного напряжения 8, управляемый задающий генератор 9, триггер управления 10, оптопару 11, и изолирующий усилитель мощности 12.

Устройство работает следующим образом. При подключении источника питания 1 к устройству ни один из выводов источника питания не закорачивается на землю ни непосредственно, ни через схему управления транзистором, как это было в прототипе. Напряжение на первом входе схемы сравнения 7 меньше уровня, заданного источником опорного напряжения 8 и сигнал на выходе схемы сравнения 7 отсутствует, частота работы управляемого задающего генератора 9 максимальна, период следования импульсов равен Т_о (фиг. 2, а). В момент времени t_o (фиг. 2, а) сигнал с выхода задающего генератора 9 переводит триггер управления 10 по входу 10.1 в состояние, при котором ключ 3 открывается (фиг. 2, в). В первичной обмотке 2.1 дозирующего дросселя начинает нарастать ток. Одновременно растет напряжение на выходе датчика тока 4 (фиг. 2, г). Благодаря использованию оптопары в новом качестве измерителя импульсных токов произошло существенное упрощение схемы устройства. Использование оптопары исключило попадание высокого напряжения с выводов дозирующего дросселя в низковольтную часть устройства. Когда напряжение на выходе датчика тока 4 достигает уровня ≈1,5 В, светодиод оптопары 11 вырабатывает световой сигнал (фиг. 2. б), а на выходе оптопары появляется электрический импульс, опрокидывающий триггер управления 10 по входу 10.2 (фиг. 2, в). Ключ запирается. Длительность импульса тока составляет τ₁. Энергия, накопленная в магнитном поле дозирующего дросселя 2, через вторичную обмотку 2.2 и диод 5 передается в накопительный конденсатор 6 (фиг . 2 д-ж). Отметим, что в случае насыщения дросселя 2 информация о начале процесса насыщения не теряется как в прототипе, а используется для быстрого выключения ключа 3. Так как напряжение на накопительном конденсаторе 6 в начальный момент равно нулю, дозирующий дроссель 2 успевает за время Т- τ₁ отдать лишь незначительную часть накопленной энергии (фиг. 2,д). Поэтому в момент времени t₁ очередного отпирания ключа 3 нарастание тока в первичной обмотке 2,1 дозирующего дросселя начнется уже не с нулевого уровня (фиг. 2, г). Так как максимальный уровень фиксирован значительно сокращается длительность замкнутого состояния ключа 3 до τ₁ мин (фиг. 2, в). Соответственно увеличивается длительность его разомкнутого состояния, когда энергия отдается в накопительный конденсатор 6, до τ₂ макс=Т_о- τ₁ мин фиг. 2, д) в конце заряда накопительного конденсатора. Момент времени (фиг. 2, а) является моментом равенства напряжения на первом входе схемы сравнения 7 и опорного напряжения заданного источником 8 на втором входе. В этот момент схема сравнения 7 вырабатывает сигнал, по которому частота следования импульсов управляемого задающего генератора 8 снижается. Частота уменьшается настолько, чтобы порции энергии, поступающие от источника питания в накопительный конденсатор за период Т₁>>Т_о, компенсировали только потери, обусловленные токами утечки (фиг. 2, е). Режим стабилизации напряжения на накопительном конденсаторе (потребляемая мощность незначительна) сохраняется вплоть до момента разряда накопительного конденсатора на нагрузку. После разряда накопительного конденсатора процессы в схеме повторяются.

Отметим, что в предлагаемом устройстве нет электрической связи вывода источника питания с триггером управления. Этим повышается помехоустойчивость устройства и разрывается еще один путь закорачивания на землю вывода источника питания.

Следует отметить, что при выполнении оптопары с открытым оптическим каналом, при воспламенении деталей устройства, излучение пламени вызывает появление электрического сигнала на выходе оптопары, сброс триггера управления, выключение транзистора и прекращение подачи энергии в очаг возгорания.

Благодаря устранению закорачивания вывода источника питания на землю, использованию оптопары в новом качестве - измерителя импульсных токов - и последовавшем вследствие этого упрощении в схеме, давшем возможность исключить попадание высокого напряжения с выводов первичной обмотки дозирующего дросселя в низковольтную часть устройства и разорвать еще один путь закорачивания на землю вывода источника питания, сохранению информации о насыщении дозирующего дросселя и использованию ее для выключения транзистора, удалось повысить допустимый уровень входных напряжений устройства. Исключение электрической связи вывода источника питания с триггером управления через общий провод позволило повысить помехоустойчивость устройства.

Макет устройства изготовлен по схеме, изображенной на фиг. 1. Устройство включает в себя источник питания - мостовой выпрямитель типа КЦ 405 с фильтрующим конденсатором 100 мкФ, дозирующий дроссель на базе трансформатора ТВС-90ЛЦ2-1 со снятыми обмотками, имеющими выводами 2,3...14, в качестве первичной обмотки используется обмотка с выводами 17, 18, в качестве вторичной обмотки с выводами 15, 16 транзистор типа КТ704, датчик тока - резистор 2 Ом, диод КЦ 106 Г, накопительный конденсатор 0,05 мкФ, схему сравнения на базе микросхемы К 140 УД8, оснащенной делителем напряжения из двух резисторов 1Г, включенных последовательно с резистором ЗМ, источник опорного напряжения 6В, управляемый задающий генератор, формирующий импульсы с максимальной длительностью 35 мкс, с периодом следования импульсов имеющим два значения - 140 мкс и ∞ , триггер управления, формирующий из импульсов длительностью 35 мкс импульсы с длительностью от 5 до 35 мкс, оптопару, состоящую из светодиода ЭЛ107Б и фотодиода КФДМ, разделенных воздушным промежутком 5 мм, и усилитель мощности, имеющий на выходе разделительный трансформатор с изоляцией на 1000 В. Кроме того использовался блок быстрого заряда накопительной емкости и набор нагрузочных сопротивлений.

Устройство работало при различных значениях сопротивлений нагрузки. Выдерживало кратковременные короткие замыкания. Устройство заряжало накопительную емкость от 0 до 3 кВ с последующим быстрым разрядом до 0 на частоте до 100 Гц. КПД заряда - 80%. В качестве нагрузки использовалась импульсная лампа ИСШ-400-3.

Таким образом предлагаемое устройство имеет следующие преимущества. Оно работоспособно при подключении к источнику питания с повышенным уровнем напряжений на его выводах, имеет большую помехоустойчивость, надежность и упрощенную электрическую схему. Возможна параллельная работа большого количества таких устройств на общую нагрузку при питании от промышленной сети 50 Гц. При этом увеличивается срок бесперебойного питания накопительной емкости в пожарной обстановке.

Новая совокупность существенных признаков позволяет получить качественно новый эффект.

Решение соответствует критерию "Существенные отличия".

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ КОНДЕНСАТОРА, включающее источник питания постоянного напряжения, параллельно которому подключена последовательная цепь из первичной обмотки дозирующего дросселя и транзисторного ключа, один вывод вторичной обмотки дозирующего дросселя подключен через обратный диод к первой обкладке накопительного конденсатора, обмотки включены согласно схеме сравнения, первый вход которой подключен к первой обкладке конденсатора, второй - к источнику опорного напряжения, выход - к входу управляемого задающего генератора, выход которого соединен с первым входом триггера управления, а выход триггера управления через изолирующий усилитель мощности подключен к управляющему входу транзисторного ключа, второй вывод источника опорного напряжения соединен с второй обкладкой конденсатора, отличающееся тем, что, с целью увеличения допустимого уровня входных напряжений и помехоустойчивости устройства при его упрощении, последовательно с транзисторным ключом включен датчик тока, выход которого подсоединен к входу оптопары с прямым прохождением лучей излучателя к приемнику, выход оптопары подключен к второму входу триггера управления, второй вывод вторичной обмотки дозирующего дросселя подключен к второй обкладке накопительного конденсатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью увеличения надежности работы, оптопара выполнена с открытым оптическим каналом, а детали устройства находятся в поле зрения оптопары.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2