Преобразователь напряжения

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам вторичного электропитания. Технический результат заключается в повышении надежности, уменьшении энергопотребления, повышении качества выходного напряжения. Для этого устройство содержит широтно-импульсный модулятор, усилитель мощности, полевой транзистор, источник служебного электропитания, генератор специальных импульсов, устройство защиты от перегрузки, стабилизатор напряжения, устройство обратной связи по напряжению, также введено устройство защиты от перенапряжения с первой оптопарой и дифференциальным усилителем, устройство обратной связи выполнено на двух дифференциальных усилителях и второй оптопаре, LC-фильтр, четыре резистивных делителя. 1 ил.

 

Данное изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам вторичного электропитания.

Известен преобразователь напряжения [1], содержащий управляющий блок, регулирующий блок, LC-фильтр, резистивный датчик тока, компаратор, усилитель мощности, источник тока.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь напряжения [2], содержащий широтно-импульсный модулятор, усилитель мощности, силовой каскад усиления, источник служебного электропитания, генератор специальных импульсов, устройство защиты от перегрузки с измерительным трансформатором и первым дифференциальным усилителем, силовой трансформатор с первой вторичной обмоткой, стабилизатор напряжения, устройство обратной связи по напряжению с вторым дифференциальным усилителем, первым источником опорного напряжения и первым резистивным делителем, диоды, выходной LC-фильтр, причем выход широтно-импульсного модулятора подключен к входу усилителя мощности, выход которого подключен к входу силового каскада усиления, первые выводы первичных обмоток измерительного и силового трансформаторов соединены вместе, анод первого диода соединен с выводом первой вторичной обмотки силового трансформатора, к катоду первого диода подключен выходной LC-фильтр, к выходу преобразователя напряжения подключен вход первого резистивного делителя, выход которого подключен к первому входу второго дифференциального усилителя, к второму входу второго дифференциального усилителя подключен выход первого источника опорного напряжения, выход первого дифференциального усилителя подключен к первому входу широтно-импульсного модулятора.

Недостатком такого преобразователя напряжения является отсутствие защиты полезной нагрузки от перенапряжения при возможном отказе его контура регулирования (устройства обратной связи по напряжению).

Техническим результатом изобретения является повышение надежности, уменьшение энергопотребления преобразователя напряжения, повышение качества выходного напряжения.

Данный технический результат достигается в преобразователе напряжения, содержащем широтно-импульсный модулятор, усилитель мощности, силовой каскад усиления, источник служебного электропитания, генератор специальных импульсов, устройство защиты от перегрузки с измерительным трансформатором и первым дифференциальным усилителем, силовой трансформатор с первой вторичной обмоткой, стабилизатор напряжения, устройство обратной связи по напряжению с вторым дифференциальным усилителем, первым источником опорного напряжения и первым резистивным делителем, диоды, выходной LC-фильтр, причем выход широтно-импульсного модулятора подключен к входу усилителя мощности, выход которого подключен к входу силового каскада усиления, первые выводы первичных обмоток измерительного и силового трансформаторов соединены вместе, анод первого диода соединен с выводом первой вторичной обмотки силового трансформатора, к катоду первого диода подключен выходной LC-фильтр, к выходу преобразователя напряжения подключен вход первого резистивного делителя, выход которого подключен к первому входу второго дифференциального усилителя, к второму входу второго дифференциального усилителя подключен выход первого источника опорного напряжения, выход первого дифференциального усилителя подключен к первому входу широтно-импульсного модулятора, тем, что в него введены второй резистивный делитель, устройство защиты от перенапряжения с третьим дифференциальным усилителем, третьим делителем напряжения, вторым источником опорного напряжения и первой оптопарой, в устройство обратной связи по напряжению введены четвертый дифференциальный усилитель, вторая оптопара и четвертый резистивный делитель, в силовом трансформаторе выполнена вторая вторичная обмотка, в источнике служебного электропитания вывод второй вторичной обмотки силового трансформатора подключен к аноду второго диода, к катоду которого подключен первый вход стабилизатора напряжения, второй вход стабилизатора напряжения соединен с входом положительного потенциала преобразователя напряжения, выход стабилизатора напряжения подключен к входам второго и четвертого резистивных делителей, в устройстве защиты от перегрузки к выводу вторичной обмотки измерительного трансформатора подключен анод третьего диода, к катоду которого подключен первый вход первого дифференциального усилителя, к второму входу первого дифференциального усилителя подключен выход второго резистивного делителя, в устройстве обратной связи по напряжению выход второго дифференциального усилителя подключен к входу второй оптопары, выход которой подключен к первому входу четвертого дифференциального усилителя, к второму входу четвертого дифференциального усилителя подключен выход четвертого резистивного делителя, выход четвертого дифференциального усилителя подключен к второму входу широтно-импульсного модулятора, выход генератора специальных импульсов подключен к первому входу широтно-импульсного модулятора, к которому также подключен катод третьего диода, силовой каскад усиления выполнен на полевом транзисторе, к затвору которого подключен выход усилителя мощности, к стоку полевого транзистора подключен второй вывод первичной обмотки силового трансформатора, выход преобразователя напряжения подключен к входу третьего резистивного делителя, к выходу которого подключен первый вход третьего дифференциального усилителя, к второму входу третьего дифференциального усилителя подключен выход второго источника опорного напряжения, выход третьего дифференциального усилителя подключен к входу первой оптопары, выход которой соединен с первым входом широтно-импульсного модулятора.

Введением устройства защиты от перенапряжения с третьим дифференциальным усилителем, третьим делителем напряжения, вторым источником опорного напряжения и первой оптопарой, подключением выхода первой оптопары к первому входу широтно-импульсного модулятора формируется резервный контур регулирования выходного напряжения, который в случае возможного отказа устройства обратной связи не только обеспечивает защиту полезной нагрузки от аварийного перенапряжения, но и обеспечивает непрерывность ее дальнейшего электропитания. Таким образом, совмещение функций защиты от перенапряжения, не требующей аварийного отключения преобразователя напряжения, и обеспечение непрерывности электропитания после возникновения отказа введением одного устройства повышает надежность и упрощает схему и конструкцию.

Введение обратной связи по току первичной обмотки силового трансформатора, выполненной с применением измерительного трансформатора, снижает время реакции контура регулирования выходного напряжения на резкие изменения входного напряжения и тока нагрузки, что повышает качество выходного напряжения.

Выполнение силового каскада усиления на полевом транзисторе снижает потери на проводимость и на переключение вследствие более высоких частотных свойств полевого транзистора в сравнении с биполярным транзистором, что повышает КПД преобразователя и снижает энергопотребление.

Выполнение преобразователя напряжения по обратноходовой схеме обеспечивает регулирование выходного напряжения в широких пределах изменения входного напряжения без применения дополнительных средств защиты, что повышает надежность, снижает энергопотребление, упрощает схему и конструкцию.

На чертеже представлена электрическая схема преобразователя напряжения.

Преобразователь напряжения содержит генератор специальных импульсов 1 (например, пилообразной формы), широтно-импульсный модулятор 2, усилитель мощности 3, силовой трансформатор TV1, устройство защиты от перегрузки с измерительным трансформатором ТА1 и первым дифференциальным усилителем 4', устройство обратной связи по напряжению с вторым дифференциальным усилителем 4'', первым резистивным делителем 5' и первым источником опорного напряжения 6', второй резистивный делитель 5'', устройство защиты от перенапряжения с третьим дифференциальным усилителем 4''', третьим резистивным делителем 5''', вторым источником опорного напряжения 6'' и первой оптопарой 7', стабилизатор напряжения 8, выходной LC-фильтр 9. В устройстве обратной связи по напряжению к выходу второго дифференциального усилителя 4'' подключен вход второй оптопары 7'', выход которой подключен к первому входу четвертого дифференциального усилителя 4^IV. Выход четвертого резистивного делителя 5^IV подключен к второму входу четвертого дифференциального усилителя 4^IV.

Первичная обмотка I' силового трансформатора TV1 и первичная обмотка I'' измерительного трансформатора соединены своими первыми выводами. Вход «а» положительного потенциала относительно входа «б» преобразователя напряжения подключен к второму выводу первичной обмотки I' измерительного трансформатора ТА1. К выводу «в» первой вторичной обмотки II' силового трансформатора TV1 подключен анод первого диода VD1, к катоду которого подключен вход выходного LC-фильтра.

К выходу «г» положительного потенциала выходного напряжения преобразователя напряжения относительно выхода «д» подключены вход первого резистивного делителя 5' и вход третьего резистивного делителя 5'''. Выход первого резистивного делителя 5' подключен к первому входу второго дифференциального усилителя 4'', к второму входу которого подключен выход первого источника опорного напряжения 6'. Выход третьего резистивного делителя 5''' соединен с первым входом третьего дифференциального усилителя 4''', к второму входу которого подключен выход второго источника опорного напряжения 6''.

В источнике служебного электропитания выход второй вторичной обмотки III' силового трансформатора TV1 соединен с анодом второго диода VD2, катод которого подключен к первому входу стабилизатора напряжения 8. Выход стабилизатора напряжения 8 подключен к входам второго резистивного делителя 5'', четвертого резистивного делителя 5^IV, входам питания первого дифференциального усилителя 4', широтно-импульсного модулятора 2, усилителя мощности 3, четвертого дифференциального усилителя 4^IV, первой оптопары 7' и второй оптопары 7'.

К аноду третьего диода VD3 подключен вывод вторичной обмотки II" измерительного трансформатора ТА1. К катоду третьего диода VD3 подсоединен первый вход первого дифференциального усилителя 4', к второму входу которого подключен выход второго резистивного делителя 5''.

К первому входу широтно-импульсного модулятора 2 подключены катод третьего диода VD3, выход первого дифференциального усилителя 4', выход генератора специальных импульсов 1, выход первой оптопары 7'. К второму входу широтно-импульсного модулятора 2 подсоединен выход четвертого дифференциального усилителя 4^IV.

К затвору полевого транзистора VT1 подключен выход усилителя мощности 3, а к стоку полевого транзистора VT1 - второй вывод первичной обмотки I' силового трансформатора VT1.

Преобразователь напряжения работает следующим образом.

Подведенное к входу «а» преобразователя напряжения (см. чертеж) напряжение постоянного тока поступает на второй вход стабилизатора напряжения 8 и через первичные обмотки I'', I' измерительного ТА1 и силового TVI трансформаторов - на сток полевого транзистора VT1. При этом на выходе усилителя мощности 3 формируется «гребенка» плавно нарастающих по длительности импульсов управления полевым транзистором VT1 с частотой, заданной генератором специальных импульсов.

В обратноходовой схеме преобразователя напряжения первичная обмотка I' и первая вторичная обмотка II' силового трансформатора TV1 сфазированы таким образом, что в открытом состоянии полевого транзистора TV1 энергия накапливается в сердечнике силового трансформатора TV1 и в течение закрытого состояния передается на выход преобразователя напряжения. Таким образом, «гребенка» импульсов, наведенная на вторичной обмотке II' силового трансформатора TV1, через диод VD1 плавно заряжает конденсаторы выходного LC-фильтра 9, чем обеспечивается облегченный режим включения преобразователя напряжения. Напряжение второй вторичной обмотки III' через второй диод VD2 поступает на первый вход стабилизатора напряжения 8, замещая его первоначальное электропитание от напряжения, поступающего с входа «а» преобразователя напряжения на второй вход.

С момента достижения напряжением на выходе «г» преобразователя напряжения своего номинального значения наступает режим регулирования, стабилизирующий выходные напряжения. В режиме регулирования отклонения выходного напряжения, вызванные изменениями входного напряжения, тока нагрузки и температуры окружающей среды, через первый резистивный делитель 5' сравниваются вторым дифференциальным усилителем 4'' с опорным напряжением первого источника опорного напряжения 6' и с выхода второго дифференциального усилителя 4'' в виде сигнала ошибки поступают на вход второй оптопары 7'', которая, осуществляя электрическую изоляцию входа от выхода, транслирует сигнал на первый вход четвертого дифференциального усилителя 4^IV где он сравнивается с напряжением четвертого резистивного делителя 5^IV. Усиленный сигнал ошибки с выхода четвертого дифференциального усилителя 4^IV приходит на второй вход широтно-импульсного модулятора 2, где сравнивается с пилообразным сигналом, пропорциональным току первичной обмотки I' силового трансформатора TV1, поступающим на первый вход широтно-импульсного модулятора 2 через третий диод VD3 с вторичной обмотки II'' измерительного трансформатора ТА1. Сформированные и усиленные усилителем мощности 3 широтно-модулированные импульсы регулировкой времени открытого состояния полевого транзистора VT1 компенсируют любые отклонения выходного напряжения.

Для повышения устойчивости работы контура регулирования на малых нагрузках и при пониженном напряжении на входе «а» преобразователя напряжения к первому входу широтно-импульсного модулятора 2 подведен корректирующий сигнал пилообразной формы с выхода генератора специальных импульсов 1.

Выпрямленный третьим диодом VD3 сигнал вторичной обмотки II'' измерительного трансформатора ТА1 также поступает на первый вход первого дифференциального усилителя 4' устройства защиты от перегрузки и сравнивается с пороговым напряжением второго резистивного делителя 5'', поступающим на второй вход первого дифференциального усилителя 4'. При возникновении перегрузки или коротком замыкании на выходе преобразователя напряжения разностный сигнал с выхода первого дифференциального усилителя 4' поступает на первый вход широтно-импульсного модулятора 2, что приводит к ограничению длительности импульсов управления полевым транзистором VT1 пропорционально величине перегрузки, снижению выходного напряжения и потребляемого тока.

При возникновении отказа в устройстве обратной связи по напряжению с разрывом основного контура регулирования функцию регулирования выходного напряжения возьмет на себя резервный контур, основой которого является введенное устройство защиты от перенапряжения, работающее аналогично устройству обратной связи по напряжению. При этом исключаются аварийные перенапряжения в цепи питания полезной нагрузки и обеспечивается непрерывность и соответствующее качество ее электропитания.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1682989 А1, кл. G 05 F 1/569.

Импульсный стабилизатор напряжения. 1989 г.

2. Авторское свидетельство СССР №1640682 А1, кл. G 05 F 1/569.

Источник стабилизированного напряжения. 1988 г.

Преобразователь напряжения, содержащий широтно-импульсный модулятор, усилитель мощности, силовой каскад усиления, источник служебного электропитания, генератор специальных импульсов, устройство защиты от перегрузки с измерительным трансформатором и первым дифференциальным усилителем, силовой трансформатор с первой вторичной обмоткой, стабилизатор напряжения, устройство обратной связи по напряжению с вторым дифференциальным усилителем, первым источником опорного напряжения и первым резистивным делителем, диоды, выходной LC-фильтр, причем выход широтно-импульсного модулятора подключен к входу усилителя мощности, первые выводы первичных обмоток измерительного и силового трансформаторов соединены вместе, анод первого диода соединен с выводом первой вторичной обмотки силового трансформатора, к катоду первого диода подключен выходной LC-фильтр, к выходу преобразователя напряжения подключен вход первого резистивного делителя, выход которого подключен к первому входу второго дифференциального усилителя, к второму входу второго дифференциального усилителя подключен выход первого источника опорного напряжения, выход первого дифференциального усилителя подключен к первому входу широтно-импульсного модулятора, отличающийся тем, что в него введены второй резистивный делитель, устройство защиты от перенапряжения с третьим дифференциальным усилителем, третьим резистивным делителем, вторым источником опорного напряжения и первой оптопарой, в устройство обратной связи по напряжению введены четвертый дифференциальный усилитель, вторая оптопара и четвертый резистивный делитель, в силовом трансформаторе выполнена вторая вторичная обмотка, в источнике служебного электропитания вывод второй вторичной обмотки силового трансформатора подключен к аноду второго диода, к катоду которого подключен первый вход стабилизатора напряжения, второй вход стабилизатора напряжения соединен с входом положительного потенциала преобразователя напряжения, к которому также подключен второй вывод первичной обмотки измерительного трансформатора, выход стабилизатора напряжения подключен к входам второго и четвертого резистивных делителей, входам питания первого дифференциального усилителя, широтно-импульсного модулятора, усилителя мощности, четвертого дифференциального усилителя, первой оптопары и второй оптопары, в устройстве защиты от перегрузки к выводу вторичной обмотки измерительного трансформатора подключен анод третьего диода, к катоду которого подключен первый вход первого дифференциального усилителя, к второму входу первого дифференциального усилителя подключен выход второго резистивного делителя, в устройстве обратной связи по напряжению выход второго дифференциального усилителя подключен к входу второй оптопары, выход которой подключен к первому входу четвертого дифференциального усилителя, к второму входу четвертого дифференциального усилителя подключен выход четвертого резистивного делителя, выход четвертого дифференциального усилителя подключен к второму входу широтно-импульсного модулятора, выход генератора специальных импульсов подключен к первому входу широтно-импульсного модулятора, к которому также подключен катод третьего диода, силовой каскад усиления выполнен на полевом транзисторе, к затвору которого подключен выход усилителя мощности, к стоку полевого транзистора подключен второй вывод первичной обмотки силового трансформатора, выход преобразователя напряжения подключен к входу третьего резистивного делителя, к выходу которого подключен первый вход третьего дифференциального усилителя, к второму входу третьего дифференциального усилителя подключен выход второго источника опорного напряжения, выход третьего дифференциального усилителя подключен к входу первой оптопары, выход которой соединен с первым входом широтно-импульсного модулятора.