Импульсный стабилизатор постоянного напряжения

 

Использование: в автономных системах электроснабжения постоянным током с источниками питания постоянного тока, допускающими режим короткого замыкания. Сущность изобретения: стабилизатор содержит ключевой полупроводниковый элемент 1, дроссель 3, диод 5, конденсатор 7, блок 8 управления, дистанционный переключатель 13 с размыкающим 14 и переключающим 15 контактами с отключающей 16 и включающей 17 обмотками. В стабилизаторе снижена мощность потерь рассеивания в ключевом элементе 1 путем переключения его по сигналу с блока 8 управления с последовательного включения на параллельное и наоборот в зависимости от величины тока нагрузки. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к автономным системам электроснабжения постоянным током с источником питания постоянного тока, допускающим режим короткого замыкания.

Известен параллельный стабилизатор [1] содержащий балластный резистор, регулирующий элемент (обычно используется транзистор) и устройство управления. Недостатком его является низкий КПД, поскольку в балластном резисторе и регулирующем элементе (РЭ) выделяется большая мощность потерь.

Известен также шунтовой регулятор [2] у которого РЭ работает в ключевом режиме. При резкопеременном графике энергопотребления мощность, рассеиваемая в РЭ, пропорциональна разности токов источника и нагрузки. Недостатком данного регулятора является значительная мощность потерь, рассеиваемая в РЭ при малом токе нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является импульсный стабилизатор постоянного напряжения [3] содержащий ключевой полупроводниковый элемент, первый силовой вывод которого подключен к первому выводу для подключения источника питания постоянного тока, допускающего режим короткого замыкания, дроссель, первый вывод которого соединен с первым вводом для подключения нагрузки, диод, первый вывод которого подключен к второму выводу дросселя, а второй вывод соединен с вторым выводом для подключения нагрузки, конденсатор, включенный между выводами для подключения нагрузки, и блок управления, вход которого подключен к конденсатору, а первый выход соединен с управляющим входом ключевого полупроводникового элемента, причем блок управления состоит из датчика напряжения, вход которого использован в качестве входа блока управления, компаратора, выход которого использован в качестве первого выхода блока управления, и генератора линейно изменяющегося напряжения, при этом вторые выводы для подключения источника питания постоянного тока и для подключения нагрузки объединены и подключены к общей шине.

К недостаткам известного устройства следует отнести существенные потери мощности в регулирующем элементе при большом токе нагрузки. Кроме того, при длительном функционировании импульсного стабилизатора постоянного напряжения, входящего в состав автономной системы электроснабжения, под воздействием ионизирующего излучения /4, 5, 6/ наблюдается снижение статического коэффициента передачи базового тока, повышение напряжения насыщения транзистора, что также приводит к возрастанию мощности потерь.

Целью изобретения является повышение КПД путем уменьшения мощности потерь рассеивания в транзисторе.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсном стабилизаторе постоянного напряжения, содержащем ключевой полупроводниковый элемент, первый силовой вывод которого подключен к первому выводу для подключения источника питания постоянного тока, допускающего режим короткого замыкания, дроссель, первый вывод которого соединен с первым выводом для подключения нагрузки, диод, первый вывод которого подключен к второму выводу дросселя, а второй вывод соединен с вторым выводом для подключения нагрузки, конденсатор, включенный между выводами для подключения нагрузки, и блок управления, вход которого подключен к конденсатору, а первый выход соединен с управляющим входом ключевого полупроводникового элемента, причем блок управления состоит из датчика напряжения, вход которого использован в качестве входа блока управления, компаратора, выход которого использован в качестве первого выхода блока управления, и генератора линейно изменяющегося напряжения, при этом вторые выводы для подключения источника питания постоянного тока и для подключения нагрузки объединены и подключены к общей шине, в него введен дистанционный переключатель с размыкающим и переключающим контактами с отключающей и включающей обмотками, а блок управления снабжен формирователем импульсов, Т-триггером, двумя коммутационными диодами, задающим генератором, логическим элементом НЕ, делителем частоты, счетчиком и пятью электронными ключами, причем первый неподвижный элемент переключающего контакта дистанционного переключателя соединен с общей шиной, а через его переключающий контакт с вторым силовым выводом ключевого полупроводникового элемента, первый силовой вывод которого через размыкающий контакт дистанционного переключателя подключен к второму неподвижному элементу его переключающего контакта, соединенному с точкой подключения первого вывода диода и второго вывода дросселя, при этом выход датчика напряжения подключен к входам первого и второго электронных ключей, выходы которых соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами компаратора, выход которого подключен к аноду первого и катоду второго коммутационного диода, анод второго коммутационного диода соединен с входом формирователя импульсов, выходом подключенного к сбрасывающему входу счетчика, выход которого соединен со счетным входом Т-триггера, прямой и инверсный выходы которого, использованные в качестве соответственно второго и третьего выходов блока управления, подключены соответственно к отключающей и включающей обмоткам дистанционного переключателя, катод первого коммутационного диода соединен с управляющим входом третьего электронного ключа, выход которого соединен со счетным входом счетчика, а вход с выходом задающего генератора, подключенным к входу делителя частоты, выход которого соединен с тактовым входом генератора линейно изменяющегося напряжения, входы четвертого и пятого электронных ключей подключены к выходу генератора линейно изменяющегося напряжения, а выходы соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами компаратора, управляющие входы второго и пятого электронных ключей и вход логического элемента НЕ соединены с прямым выходом Т-триггера, а управляющие входы первого и четвертого электронных ключей подключены к выходу логического элемента НЕ.

Снабжение импульсного стабилизатора постоянного напряжения новыми элементами позволяет уменьшить мощность потерь рассеивания в ключевом элементе путем переключения его по сигналу с устройства управления с последовательного включения на параллельное и наоборот, в зависимости от величины тока нагрузки, значение которого определяется путем измерения длительности коэффициента заполнения импульсного цикла (КЗИЦ) q. В связи с тем, что при проектировании стабилизатора величина варьирования КЗИЦ задается, то очевидно возможен предварительный расчет величины потерь мощности в КЭ в функции КЗИЦ. Графическое построение этих двух функций даст точку пересечения q_гр, относительно которой диапазон КЗИЦ разбивается на два поддиапазона.

Отсутствие в технической и патентной литературе сведений (рекомендаций) по выполнению предлагаемого устройства в целях достижения описанного в заявке эффекта (результата) показывает новизну взаимосвязи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и положительным эффектом. Это обеспечивает существенные отличия данного изобретения от всех известных устройств аналогичного назначения.

На фиг.1 и 2 представлены принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства и схема устройства управления.

Импульсный стабилизатор напряжения содержит ключевой полупроводниковый элемент 1, первый силовой вывод которого подключен к первому выводу 2 для подключения источника питания постоянного тока, допускающего режим короткого замыкания, дроссель 3, первый вывод которого соединен с первым выводом для подключения нагрузки 4, диод 5, первый вывод которого подключен к второму выводу дросселя 3, а второй вывод соединен с вторым выводом 6 для подключения нагрузки, конденсатор 7, включенный между выводами для подключения нагрузки, и блок управления 8, вход которого подключен к конденсатору 7, а первый выход соединен с управляющим входом ключевого полупроводникового элемента 1, причем блок управления 8 состоит из датчика напряжения 9, вход которого использован в качестве входа блока управления 8, компаратора 10, выход которого использован в качестве первого выхода блока управления 8, и генератора линейно изменяющегося напряжения 11, при этом вторые выводы 12, 6 для подключения источника питания постоянного тока и для подключения нагрузки объединены и подключены к общей шине, дистанционный переключатель 13 с размыкающим 14 и переключающим 15 контактами с отключающей 16 и включающей 17 обмотками, а блок управления 8 снабжен формирователем импульсов 18, Т-триггером 19, двумя коммутационными диодами 20, 21, задающим генератором 22, логическим элементом НЕ 23, делителем частоты 24, счетчиком 25 и пятью электронными ключами 26, 27, 28, 29, 30, причем первый неподвижный элемент 31 переключающего контакта 15 дистанционного переключателя 13 соединен с общей шиной, а через его переключающий контакт 15 с вторым силовым выводом ключевого полупроводникового элемента 1, первый силовой вывод которого через размыкающий контакт 14 дистанционного переключателя 13 подключен к второму неподвижному элементу 32 его переключающего контакта 14, соединенному с точкой подключения первого вывода диода 5 и второго вывода дросселя 3, при этом выход датчика напряжения 9 подключен к входам первого 26 и второго 27 электронных ключей, выходы которых соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами компаратора 10, выход которого подключен к аноду первого 20 и катоду второго 21 коммутационного диода, анод второго коммутационного диода 21 соединен с входом формирователя импульсов 18, выходом подключенного к сбрасывающему входу счетчика 25, выход которого соединен со счетным входом Т-триггера 19, прямой и инверсный выходы которого, использованные в качестве соответственно второго и третьего выходов блока управления 8, подключены соответственно к отключающей 16 и включающей 17 обмоткам дистанционного переключателя 13, катод первого коммутационного диода 20 соединен с управляющим входом третьего электронного ключа 28, выход которого соединен со счетным входом счетчика 25, а вход с выходом задающего генератора 22, подключенным к входу делителя частоты 24, выход которого соединен с тактовым входом генератора линейно изменяющегося напряжения 11, входы четвертого 29 и пятого 30 электронных ключей подключены к выходу генератора линейно изменяющегося напряжения 11, а выходы соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами компаратора 10, управляющие входы второго 27 и пятого 30 электронных ключей и вход логического элемента НЕ 23 соединены с прямым выходом Т-триггера 18, а управляющие входы первого 26 и четвертого 29 электронных ключей подключены к выходу логического элемента НЕ 23.

Устройство работает следующим образом. Пусть исходное положение размыкающего 14 и переключающего 15 контактов переключателя 13 соответствует положению, изображенному на фиг.1, что характерно включению ключевого элемента 1 по схеме параллельного включения и обеспечивает минимальную мощность потерь рассеивания в транзисторе 1 при максимальном энергопотреблении. При включении стабилизатора в работу происходит начальная установка Т-триггера 19, обеспечивающая первоначально сигнал низкого потенциала на его прямом выходе, и возможны различные сочетания сигналов на выходе компаратора 10.

После подачи питания на устройство управления 8 на выходе компаратора 10 сигнал низкого уровня поступает на первый выход блока 8 и управляющий вход ключевого элемента 1, обеспечивая его разомкнутое состояние. Кроме того, сигнал низкого уровня через коммутационный диод 20 обеспечивает разомкнутое состояние электронного ключа 28, а через коммутационный диод 21 поступит на вход формирователя импульсов 18, последний формирует сигнал, поступающий на сбрасывающий вход счетчика 25, обеспечивая тем самым его обнуление и неизменное положение сигналов на выходах Т-триггера 19. В момент включения блока 8 на прямом выходе Т-триггера 19 будет сигнал низкого потенциала, что, во-первых, обеспечит неизменное положение контактов дистанционного переключателя 13, во-вторых, разомкнутое состояние ключей 27 и 30 и через схему НЕ 22 замкнутое состояние ключей 29 и 26. Таким образом, сигнал с датчика напряжения 9, пропорциональный напряжению источника питания (в данный момент ключевой элемент 1 разомкнут), поступает на прямой вход компаратора. Одновременно сигнал с задающего генератора 22 через делитель частоты 24 с меньшей частотой поступает на вход генератора линейно изменяющегося напряжения 11, последний формирует сигнал, поступающий через замкнутый ключ 29 на инверсный вход компаратора 10. В связи с тем, что сигнал с датчика 9 будет больше сигнала, поступающего с генератора 11, на выходе компаратора 10 формируется сигнал высокого уровня, который поступает на первый выход блока 8 и на управляющий вход ключевого элемента 1, обеспечивая его замыкание.

В данный момент произойдет закорачивание источника питания постоянного тока и отдача энергии, запасенной в дросселе 3 по цепям: дроссель 3, первый вывод 4 для подключения нагрузки, нагрузка, второй вывод 6 для подключения нагрузки, диод 5, дроссель 3; дроссель 3, первый вывод 4 для подключения нагрузки, нагрузка, второй вывод 6 для подключения нагрузки, первый неподвижный элемент 30 переключающего контакта 15, переключающий контакт 15, элемента 1, размыкающий контакт 14, его неподвижный элемент 31, дроссель 3; дроссель 3, первый вывод 4 для подключения нагрузки, нагрузка, второй вывод 6 для подключения нагрузки, вывод 12, источник питания постоянного тока, вывод 2, размыкающий контакт 14, его неподвижный элемент 31, дроссель 3. Таким образом напряжение на нагрузке начнет уменьшаться. Кроме того, сигнал высокого уровня с выхода компаратора 10 через коммутационный диод 20 поступает на управляющий вход ключа 28, включает его, обеспечивая тем самым поступление импульсов с генератора 22 на счетный вход счетчика 25. Счетчик 25 осуществляет подсчет импульсов за время замкнутого состояния элемента 1 при его переполнении, т.е. когда количество импульсов N станет больше N_гр (где N_гр граничное значение коэффициента заполнения импульсного цикла), счетчик формирует управляющий сигнал, поступающий на счетный вход Т-триггера 19, что повлечет в свою очередь изменения сигналов на прямом и инверсном его выходах. Если же снижение напряжения на нагрузке и соответственно на входе датчика 9 произойдет раньше, то компаратор 10 сформирует сигнал низкого уровня на своем выходе. Данный сигнал обеспечит размыкание ключевого элемента 1 и сброс счетчика 25 в ноль по цепи: коммутационный диод 21, формирователь импульсов 18, сбрасывающий вход счетчика 25. При разомкнутом ключевом элементе 1 происходит накопление энергии в дросселе 3 по цепи: источник постоянного тока, первый вывод 2 для подключения источника постоянного тока, контакты 14, 32, дроссель 3, вывод 4, нагрузка, вывод 6, вывод 12, источник питания.

После подачи питания на блок 8 на выходе компаратора 10 в первоначальный момент сигнал высокого уровня поступает на первый выход блока 8 и управляющий вход ключевого элемента 1, обеспечивая его замкнутое состояние. Кроме того, сигнал высокого уровня через коммутационный диод 20 обеспечит замкнутое состояние ключа 28. В момент включения блока 8 на прямом выходе Т-триггера 19 будет сигнал низкого потенциала, что, во-первых, обеспечит неизменное положение контактов ДП 13, т.е. параллельное подключение ключевого элемента 1, во-вторых, разомкнутое состояние ключей 27 и 30 и через схему НЕ 27 замкнутое состояние ключей 29 и 26. Таким образом, сигнал с датчика 9, равный нулю (в данный момент ключевой элемент 1 замкнут), поступит на прямой вход компаратора 10. Сигналы с выхода генератора 22 через замкнутый ключ 28 начнут поступать на счетный вход счетчика 25, последний начнет их подсчет. Одновременно сигнал с генератора 22 через счетчик 24 поступает на вход генератора 11, последний формирует сигнал, поступающий через замкнутый ключ 29 на инверсный вход компаратора 10. Сформированное таким образом сочетание сигналов на прямом и инверсном входах компаратора 10 произойдет раньше по времени, чем счетчик 25 осуществит подсчет импульсов до N_гр и обеспечит формирование на его выходе сигналa низкого уровня. Данный сигнал поступит на выход блока 8 и на управляющий вход ключевого элемента 1, обеспечивая его разомкнутое состояние. Кроме того, произойдет обнуление счетчика 24 по цепи: диод 21, формирователь импульсов 18, сбрасывающий вход счетчика 25. В дросселе 3 произойдет накопление энергии по цепи: источник, вывод 2, контакты 14, 32, дроссель 3, вывод 4, нагрузка, выводы 6, 12, источник. Напряжение на нагрузке и на входе датчика 9 начнет увеличиваться, обеспечивая тем самым работу блока 8. В случае, если величина нагрузки мала, то в ходе подсчета импульсов счетчика 25 во время замкнутого состояния ключевого элемента 1 произойдет переполнение счетчика 25, сигнал переполнения с выхода счетчика 25 поступит на счетный вход Т-триггера 19, что приведет к изменению его потенциалов на прямом и инверсном выходе и, следовательно, сформируется сигнал на переключение ДП 13, что приведет в свою очередь к переключению ключевого элемента 1 в последовательное включение. При этом сигнал высокого потенциала на прямом выходе Т-триггера 19 обеспечит замкнутое состояние электронных ключей 30 и 27 и через логический элемент НЕ 28 разомкнутое состояние ЭК 29, ЭК 26. Сигнал с датчика 9 через ключ 27 поступит на инверсный вход компаратора 10. Сигнал с генератора 22 через делитель частоты 24 поступит на вход генератора 11, последний формирует сигнал, поступающий через замкнутый ключ 30 на прямой вход компаратора 10. При превышении величины напряжения с генератора 11 значения величины сигнала датчика 9 на выходе компаратора 10 формируется сигнал высокого уровня, поступающий на первый выход блока 8 и управляющий вход элемента 1, обеспечивая его замкнутое состояние. Кроме того, сигнал высокого уровня через коммутационный диод 20 обеспечит замкнутое состояние ключа 28 и сигналы с выхода генератора 22 через ключ 27 начнут поступать на счетный вход счетчика 24 с одновременным их счетом. Если за время нахождения элемента 1 в замкнутом состоянии число импульсов счетчика 25 не превысит N_гр, то не произойдет переключение элемента 1 с последовательного включения на параллельное.

Формула изобретения

ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий ключевой полупроводниковый элемент, первый элемент, первый силовой вывод которого подключен к первому выводу для подключения источника питания постоянного тока, допускающего режим короткого замыкания, дроссель, первый вывод которого соединен с первым выводом для подключения нагрузки, диод, первый вывод которого подключен к второму выводу дросселя, а второй вывод соединен с вторым выводом для подключения нагрузки, конденсатор, включенный между выводами для подключения нагрузки, и блок управления, вход которого подключен к конденсатору, а первый выход соединен с управляющим входом ключевого полупроводникового элемента, причем блок управления состоит из датчика напряжения, вход которого использован в качестве входа блока управления, компаратора, выход которого использован в качестве первого выхода блока управления, и генератора линейно изменяющегося напряжения, при этом вторые выводы для подключения источника питания постоянного тока и для подключения нагрузки объединения и подключены к общей шине, отличающийся тем, что в него введен дистанционный переключатель с размыкающим и переключающим контактами с отключающей и включающей обмотками, а блок управления снабжен формирователем импульсов, Т-триггером, двумя коммутационными диодами, задающим генератором, логическим элементом НЕ, делителем частоты, счетчиком и пятью электронными ключами, причем первый неподвижный элемент переключающего контакта дистанционного переключателя соединен с общей шиной, а через его переключающий контакт с вторым силовым выводом ключевого полупроводникового элемента, первый силовой вывод которого через размыкающий контакт дистанционного переключателя подключен к второму неподвижному элементу его переключающего контакта, соединенному с точкой подключения первого вывода диода и второго вывода дросселя, при этом выход датчика напряжения подключен к входам первого и второго электронных ключей, выходы которых соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами компаратора, выход которого подключен к аноду первого и катоду второго коммутационного диода, анод второго коммутационного диода соединен с входом формирователя импульсов, выходом подключенного к сбрасывающему входу счетчика, выход которого соединен со счетным входом Т-триггера, прямой и инверсный выходы которого, использованные в качестве соответственно второго и третьего выходов блока управления, подключены соответственно к отключающей и включающей обмоткам дистанционного переключателя, катод первого коммутационного диода соединен с управляющим входом третьего электронного ключа, выход которого соединен со счетным входом счетчика, а вход с выходом задающего генератора, подключенным к входу делителя частоты, выход которого соединен с тактовым входом генератора линейно изменяющегося напряжения, входы четвертого и пятого электронных ключей подключены к выходу генератора линейно изменяющегося напряжения, а выходы соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами компаратора, управляющие входы второго и пятого электронных ключей и вход логического элемента НЕ соединены с прямым выходом Т-триггера, а управляющие входы первого и четвертого электронных ключей подключены к выходу логического элемента НЕ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2