Устройство заряда фильтрующего конденсатора

 

Изобретение относится к устройствам электропитания с первичной сетью постоянного напряжения. Техническим результатом является снижение мощности, рассеиваемой элементами схемы и, как следствие, повышение КПД. Устройство содержит импульсный преобразователь постоянного напряжения, на входе которого установлен фильтрующий конденсатор, в качестве которого используется импульсный конденсатор сверхбольшой энергоемкости. Заряд конденсатора в первоначальный момент времени пуска осуществляется через ограничивающий резистор, амплитуда импульса пускового тока приводится к заданному уровню. Далее по мере уменьшения пускового тока включается тиристор, шунтирующий резистор. Включение тиристора осуществляется путем разряда конденсатора на его управляющий электрод после открывания управляющего транзистора. Пороговый уровень включения тиристора определяется путем выбора напряжения стабилизации стабилитрона, которое определяет момент включения вспомогательного транзистора, создающего базовый ток транзистора. Первоначальный заряд конденсатора осуществляется на протяжении времени заряда до требуемого уровня фильтрующего конденсатора. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразователям постоянного (входного) в постоянные (выходные) напряжения, содержащим входной фильтрующий конденсатор значительной емкости.

Известны устройства, в которых для ограничения первоначального пускового тока заряда фильтрующего конденсатора используются индуктивные элементы, например дроссели, позволяющие нормировать ток заряда до нормированных величин (Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электротехнические устройства. - М.: Энергоиздат, 1981, с. 233, рис.8, 20.). Недостатком таких устройств является высокая материалоемкость, неудовлетворительные массогабаритные характеристики и высокая стоимость, а также некачественные переходные процессы при коммутации тока, протекающего через дроссель.

Лучшими характеристиками и качеством переходных процессов обладают схемы с применением активных ограничивающих резисторов с последующим их шунтированием тиристором (Источники электропитания РЭА. Справочник / Под ред. Г.С. Найвельта. - М. : Радио и связь, 1986, с. 403, рис.10.2, д.). Недостатком этих устройств является сложность схемы и ее низкая энергетическая эффективность при высоких входных напряжениях.

Наиболее близким по схемотехнике и сущности происходящих в схеме процессов является устройство для заряда фильтрующего конденсатора, где между источником входного напряжения и фильтрующим конденсатором включен ограничивающий резистор, шунтированный тиристором, для управления которым не требуется обратной связи с напряжением на входе импульсного преобразователя (А.с. СССР 1739451, МКИ Н 02 М 3/335/Сергеев Б.C. Источник вторичного электропитания, опубл. БИ 21, 1992).

Это устройство обладает недостатками, обусловленными следующими обстоятельствами. Существенная нестабильность первичных сетей входного постоянного напряжения требует в некоторых случаях увеличения емкости фильтрующего конденсатора до нескольких десятков или сотен тысяч микрофарад и заставляет применять в качестве них известные импульсные конденсаторы сверхвысокой энергоемкости (Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники вторичного электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1998, с. 20.). В этом случае емкость фильтрующего конденсатора может быть увеличена в еще большей степени - до нескольких единиц или десятков фарад и использование наиболее близкого по технической сущности устройства становится экономически и энергетически неэффективным, так как мощность, рассеиваемая управляющим резистором, велика и в качестве включающего должен использоваться достаточно мощный транзистор, коллекторный ток через который равен току управляющего электрода тиристора, шунтирующего ограничивающий резистор.

Целью изобретения является устранение этих недостатков, а именно снижение мощности потерь, рассеиваемой элементами схемы устройства, а также применение менее мощной элементной базы и, как следствие, - расширение функциональных возможностей применения устройства.

Указанная цель достигается тем, что для включения тиристора используется не потенциальный метод управления, а импульсный, при котором ток управляющего электрода создается ранее заряженным управляющим конденсатором. При этом исключается непрерывное протекание достаточно большого тока через управляющий резистор, а наличие импульсного, существенно меньшего по среднему значению, тока дает возможность использовать менее мощный включающий транзистор.

На чертеже приведена схема устройства заряда фильтрующего конденсатора. Устройство содержит входные положительный 1 и отрицательный 2 выводы и выходные положительный 3 и отрицательный 4 выводы, к которым подключается преобразователь 5 напряжения и фильтрующий конденсатор 6. Вывод 1 устройства соединен с первым выводом ограничивающего резистора 7, анодом тиристора 8, катодом стабилитрона 9, первым выводом вспомогательного резистора 10 и через прямо включенный диод 11 с первым выводом зарядного резистора 12. Второй вывод резистора 12 подключен к первому выводу управляющего резистора 13 и первому выводу управляющего конденсатора 14, второй вывод которого соединен с эмиттером вспомогательного транзистора 15, катодом тиристора 8, вторым выводом ограничивающего резистора 7 и выходным положительным выводом 3. Второй вывод вспомогательного резистора 10 подключен к базе включающего транзистора 16 и к коллектору вспомогательного транзистора 15, база которого через базовый резистор 17 соединена с анодом стабилитрона 9. Управляющий электрод тиристора 8 подключен к эмиттеру включающего транзистора 16, коллектором соединенного со вторым выводом управляющего резистора 13.

Устройство заряда фильтрующего конденсатора работает следующим образом.

При подаче входного напряжения Е_вх на выводы 1 и 2 напряжение на фильтрующем конденсаторе 6 и на входе преобразователя 5 равно нулю, что обусловливает наличие падения напряжения на резисторе 7, равное Е_вх. Напряжение стабилизации стабилитрона 9 выбирается равным: _ст<Е. Вследствие этого вспомогательный транзистор 15 открывается, так как в его базовой цепи начинает протекать ток, величина которого определяется разностью напряжений ΔU= E_вх-U_ст и величиной сопротивления резистора 17.

Одновременно с этим, управляющий конденсатор 14 заряжается полярностью, показанной на схеме, через диод 11 и зарядный резистор 12 от источника напряжения Е_вх. Включающий транзистор 16 заперт, так как ток его базы равен нулю вследствие открытого состояния транзистора 15. Это приводит к отсутствию тока управляющего электрода тиристора 8 и его запертому состоянию.

Происходит заряд фильтрующего конденсатора 6. По мере его заряда ток через него будет снижаться, в соответствии с чем будет уменьшаться падение напряжения U_R7 на резисторе 7. Когда это напряжение снизится до величины U_R7= U_ст, стабилитрон 9 закроется и прекратится базовый ток транзистора 15, что приведет к его запиранию. Это приведет к тому, что появится базовый ток включающего транзистора 16, величина которого определяется сопротивлением вспомогательного резистора 10 и напряжением U_R7. Открывание транзистора 16 приводит к тому, что конденсатор 14 разряжается на управляющий переход тиристора 8, а амплитуда импульса тока разряда, которая требуется для включения тиристора 8, устанавливается изменением сопротивления управляющего резистора 13.

Далее после включения тиристора 8 ток заряда конденсатора 6 определяется внутренним сопротивлением тиристора 8 и паразитными сопротивлениями питающей линии.

Следовательно, в отличие от устройства-прототипа, здесь для открывания тиристора 8 применяется предварительно заряженный управляющий конденсатор 14. Это обусловливает тот факт, что для открывания тиристора 8 используется импульс энергии, среднее значение которой существенно меньше, чем при непрерывном и потенциальном способе управления. Достигаемое при этом снижение мощности потерь будет наиболее значительным при наличии больших величин емкости фильтрующего конденсатора 6.

Таким образом, применение предлагаемого устройства с импульсным управлением тиристора 8 позволяет снизить мощность потерь и применять менее мощный управляющий транзистор 16. Это расширяет функциональные возможности применения устройства заряда фильтрующего конденсатора при больших величинах емкостей фильтрующего конденсатора 6.

Формула изобретения

Устройство заряда фильтрующего конденсатора, содержащее фильтрующий конденсатор, подключенный к положительному и отрицательному выходным выводам, последний из которых соединен с отрицательным входным выводом, а положительный выходной вывод подключен к катоду тиристора, эмиттеру вспомогательного транзистора и через ограничивающий резистор - к входному положительным выводу и аноду тиристора, с которым соединены первый вывод вспомогательного резистора, первый вывод цепи, состоящей из последовательного соединения стабилитрона и базового резистора, вторым выводом соединенной с базой вспомогательного транзистора, коллектор которого подключен ко второму выводу вспомогательного резистора, отличающееся тем, что в него введены диод, управляющие резистор и конденсатор, включающий транзистор и зарядный резистор, где анод диода соединен с анодом тиристора, а катод через зарядный резистор подключен к точке соединения первых выводов управляющего конденсатора и управляющего резистора, вторые выводы которых подключены к катоду тиристора и коллектору включающего транзистора соответственно, причем эмиттер включающего транзистора соединен с управляющим электродом тиристора, а база - с коллектором вспомогательного транзистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1