Преобразователь напряжения

Устройство относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Предлагаемое устройство обеспечивает технический результат: расширение функциональных возможностей за счет обеспечения равномерной загрузки модулей по току при их параллельной работе от общего или раздельных источников питания, исключения перегрева модулей и возможности получения восходящей, жесткой и падающей внешней (нагрузочной) характеристики. Это достигается тем, что преобразователь напряжения выполнен из набора модулей, каждый из которых подключен к источнику питания и содержит ключевой регулятор, включенный через датчик тока между входными и выходными выводами, блок управления, связанный выходом с входом ключевого регулятора, а входом - с выходом усилителя, своими входами соединенного со средними точками двух резистивных делителей, у которых первые выводы объединены с выходом датчика тока, второй вывод первого резистивного делителя подключен к источнику опорного напряжения, а второй вывод второго резистивного делителя - к датчику выходного напряжения, каждый из модулей снабжен датчиками по числу контролируемых параметров (температуры, мощности и т.п.), причем выход каждого датчика подсоединен через резисторы к средним точкам обоих резистивных делителей, а средние точки первых резистивных делителей соединены с образованием общей шины, при этом все модули объединены в группы, в каждой из которых входные выводы модулей подключены параллельно к источнику питания, а выходные выводы соединены параллельно для суммирования мощностей на общей или раздельных нагрузках. Другой вариант состоит в том, что входные выводы модулей каждой группы соединены последовательно и подключены к своему источнику питания. 4 ил.

 

Устройство относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Известен преобразователь напряжения [А.с. 1007094 СССР, G 05 F 1/56, заявл. 05.03.80, опубл. 23.03.83, Бюл. №11], содержащий ключевой регулятор, включенный через датчик тока между входными и выходными выводами, блок управления ключевого регулятора, подключенный к контуру обратной связи, состоящему из датчика напряжения, датчика тока, коммутатора и сумматора сигналов с выхода датчиков. Недостатки устройства - ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием регулирования и получения жесткой, падающей и восходящей нагрузочной (внешней) характеристики, а при параллельном включении преобразователей их загрузка по току неравномерна, что вызывает перегрев модулей.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является преобразователь напряжения [А.с. 1820464 СССР, Н 02 М 3/335, заявл. 14.03.91, опубл. 07.06.93, Бюл. №21], выбранный в качестве прототипа. Это устройство представляет собой модуль, содержащий ключевой регулятор, включенный через датчик тока между входными и выходными выводами, соединенный последовательно с блоком управления и контуром обратной связи, в который введены датчик выходного напряжения, источник опорного напряжения и усилитель, подключенный входами к средним точкам двух резистивных делителей, первые выводы которых подключены к выходу датчика тока, второй вывод первого резистивного делителя - к источнику опорного напряжения, а второй вывод второго резистивного делителя - к датчику выходного напряжения. Это устройство имеет регулируемую восходящую, жесткую и падающую внешнюю (нагрузочную) характеристику.

Недостаток устройства-прототипа - ограниченные функциональные возможности, так как при параллельном включении модулей для суммирования их мощностей и подключении к общему или раздельным источникам питания возникает неравномерность загрузки модулей, вызванная разбросом параметров элементов ключевого регулятора, блока управления и цепи обратной связи с перегрузкой и перегревом отдельных модулей.

Технический результат, реализуемый в предлагаемом изобретении, - расширение функциональных возможностей преобразователя за счет обеспечения равномерной загрузки модулей при их параллельной работе от общего или раздельных источников питания, исключения перегрева модулей и сохранения возможности регулирования внешней характеристики.

Технический результат достигается тем, что известный преобразователь напряжения в виде модуля, содержащего ключевой регулятор, включенный через датчик тока между входными и выходными выводами, блок управления, связанный выходом с входом ключевого регулятора, а входом - с выходом усилителя, своими входами соединенного со средними точками двух резистивных делителей, у которых первые выводы объединены с выходом датчика тока, второй вывод первого резистивного делителя подключен к источнику опорного напряжения, а второй вывод второго резистивного делителя - к датчику выходного напряжения, по отношению к прототипу выполнен из нескольких одинаковых модулей, каждый из них снабжен датчиками по числу контролируемых параметров, причем выход каждого датчика подсоединен через резисторы к средним точкам обоих резистивных делителей, а средние точки первых резистивных делителей соединены с образованием общей шины, при этом все модули объединены в группы, в каждой из которых входные выводы модулей подключены параллельно к источнику питания, а выходные выводы - параллельно к нагрузке. При этом входные выводы модулей группы могут быть соединены последовательно и подключены к своему источнику питания.

Указанная совокупность существенных признаков - введение двух и более одинаковых модулей, каждый из них снабжен датчиками по числу контролируемых параметров, причем выход каждого датчика подсоединен через резисторы к средним точкам обоих резистивных делителей, а средние точки первых резистивных делителей соединены с образованием общей шины, все модули объединены в группы, в каждой из которых входные выводы модулей подключены параллельно к источнику питания, а выходные выводы - параллельно к нагрузке, - является новой и в полном объеме неиспользовавшейся, что позволяет считать предлагаемое устройство соответствующим критерию охраноспособности "новизна".

Кроме того, совокупность указанных признаков позволяет получить новый результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения равномерной (заданной неравномерной) загрузки модулей при их параллельной работе от общего или раздельных источников питания, исключения перегрева модулей и сохранения регулируемой внешней характеристики, что позволяет считать данное устройство соответствующим критерию охраноспособности "изобретательский уровень".

На фиг.1 приводится схема преобразователя напряжения, где приняты следующие обозначения: модуль 1, ключевой регулятор 2, датчик тока 3, блок управления 4, усилитель 5, первый резистивный делитель с резисторами 6, 7 и средней точкой а, второй резистивный делитель с резисторами 8, 9 и средней точкой б, источник опорного напряжения 10, датчик выходного напряжения 11, датчик 12 (по числу контролируемых параметров) с резисторами 13 и 14 для подключения к средним точкам а и б. На фиг.2, 3 и 4 приведены варианты подключения модулей, объединенных в группы. На фиг.2 входные выводы модулей 1 группы подключены параллельно к источнику питания, на фиг.3 у каждой группы (в группе содержится один модуль) входные выводы подключены к своему источнику питания, а на фиг.4 входные выводы модулей каждой группы (показана одна группа) соединены последовательно и подключены к своему источнику питания. Каждый модуль 1 является автономным и может индивидуально выполнять функции стабилизированного преобразователя.

Преобразователь напряжения в виде модуля 1, подключенного к источнику питания и содержащего ключевой регулятор 2, включенный через датчик тока 3 между входными и выходными выводами, блок управления 4, связанный выходом с входом ключевого регулятора 2, а входом - с выходом усилителя 5, своими входами соединенного со средними точками а и б двух резистивных делителей 6, 7 и 8, 9, у которых первые выводы объединены с выходом датчика тока 3, второй вывод первого резистивного делителя 6, 7 подключен к источнику опорного напряжения 10, а второй вывод второго резистивного делителя 8, 9 - к датчику выходного напряжения 11. Преобразователь содержит несколько одинаковых модулей 1, каждый из них снабжен датчиками 12 по числу контролируемых параметров (показан для примера один датчик), причем выход каждого датчика 12 подсоединен через резисторы 13 и 14 к средним точкам а и б обоих резистивных делителей 6,7 и 8, 9, а средние точки а первых резистивных делителей 6, 7 соединены с образованием общей шины, причем все модули 1 объединены в группы, в каждой из которых входные выводы модулей 1 подключены параллельно к источнику питания, а выходные выводы - параллельно к нагрузке. Кроме того, входные выводы модулей 1 каждой группы могут быть соединены последовательно и подключены к своему источнику питания. Датчик выходного напряжения 11 выполняется в виде резистивного делителя. Источник опорного напряжения 10 (например, на стабилитроне) может быть в каждом модуле 1 или общим для всех модулей.

Работа преобразователя в виде модуля 1 происходит следующим образом (фиг.1). Входное постоянное напряжение U₁ преобразуется в ключевом регуляторе 2 в последовательность прямоугольных импульсов, которые после выпрямления и сглаживания подаются на выходные выводы в виде постоянного напряжения U₂. Уровень этого напряжения определяется длительностью (углом модуляции) указанных прямоугольных импульсов, которая регулируется блоком управления 3, осуществляющим широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). С увеличением напряжения на выходе усилителя 5 длительность импульсов становится больше (пауза между ними меньше), а их среднее значение, равное U₂, возрастает. При постоянном токе нагрузки и снижении U₁ уменьшаются выходное напряжение U₂, напряжение, снимаемое с датчика выходного напряжения 11, и, как следствие, напряжение в точке б второго резистивного делителя 8, 9. Напряжение в точке а первого резистивного делителя остается неизменным из-за постоянства напряжения источника опорного напряжения 10. В результате увеличатся U_аб (на входах усилителя 5 заранее задается U_a выше U_б) и напряжение на выходе усилителя 5, а за счет блока управления 4 возрастет U₂ до прежнего уровня. Аналогично осуществляется стабилизация выходного напряжения при увеличении U₁. Причем регулируется U₂ усилителем 5 и блоком управления 4 и при этом величина U_аб остается малой (близкой к нулю) при условии, что коэффициент усиления усилителя 5 выбран достаточно большим.

Датчик тока 3 включен так, что ток нагрузки преобразователя влияет на уровень U_аб и, как следствие, через усилитель 5 на U₂, но это влияние зависит от соотношения коэффициентов передачи резистивных делителей 6, 7 и 8, 9. Если коэффициент передачи K₁ первого резистивного делителя равен коэффициенту передачи К₂ второго резистивного делителя, то U₂ будет слабо зависеть от тока нагрузки I₂ (только за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении), и вид нагрузочной характеристики будет определяться коэффициентом усиления усилителя 5, то есть она будет падающей на величину статической ошибки стабилизации. Это обусловлено одинаковым влиянием напряжения с датчика тока 3 на потенциалы точек а и б.

При K₁<K₂ влияние тока нагрузки на потенциал точки б больше, чем на потенциал точки а резистивных делителей. По этой причине с увеличением I₂ потенциал U_a растет медленнее U_б, то есть начнет происходить уменьшение U_аб (заранее выбрано U_a>U_б), вызывающее через усилитель 5, блок управления 4 и ключевой регулятор 2 снижение U₂, уменьшающее через датчик выходного напряжения 11 потенциал U_б. Тогда U_аб останется практически прежним и близким к нулю, но вызовет снижение U₂. В результате получается падающая нагрузочная характеристика с крутизной тем больше, чем существеннее разница между K₁ и К₂.

Если K₁>K₂, то с увеличением I₂ потенциал U_a растет быстрее U_б и увеличивается U_аб, вызывающее, в конечном итоге, возрастание U₂, то есть внешняя характеристика может быть жесткой за счет полной компенсации статической ошибки стабилизации или же будет возрастающей. Так выбором соотношения коэффициентов передачи K₁ и К₂ обеспечивается падающая, жесткая или восходящая внешняя (нагрузочная) характеристика с регулируемой крутизной во всем диапазоне изменения тока нагрузки от нулевого до номинального значения за счет соответствующего изменения угла модуляции.

Для расширения функциональных возможностей преобразователь снабжен двумя или более автономными модулями 1, у которых параллельно соединены выходные выводы для суммирования мощностей, а входные либо также соединены параллельно и подключены к общему источнику питания, либо соединены параллельно в группе, которая подключается к своему источнику питания, либо соединены последовательно с подключением к источнику питания группы (фиг.2, 3, 4). При параллельном соединении модулей 1 все средние точки а первых резистивных делителей 6, 7 соединены с образованием общей шины и осуществляется суммирование мощностей на общей или раздельных по группам нагрузках. Потенциалы U_a всех точек а будут одинаковыми и пропорциональными усредненному значению выходных напряжений усилителей 5, то есть среднему току нагрузки одного модуля 1. Любое увеличение (уменьшение) тока нагрузки одного из модулей 1, связанное с разбросом параметров элементов ключевого регулятора 2, блока управления 4, усилителя 5, датчика тока 3, вызовет такое же уменьшение (увеличение) тока других модулей 1 при неизменном суммарном токе. При этом потенциалы точек б изменятся пропорционально указанным разбросам токов и вызовут соответствующие отклонения разностей потенциалов U_аб в каждом модуле 1. Через усилители 5 за счет изменения угла модуляции полностью ликвидируется возникший разброс токов нагрузки и в результате значения U_аб в модулях 1 станут практически одинаковыми и равными нулю. С изменением сопротивления нагрузки пропорционально меняются U_аб, напряжения на выходе усилителей 5, углы модуляции в ключевых регуляторах 2 для полной компенсации отклонения выходного напряжения. Любое отклонение тока нагрузки модуля 1 от среднего значения вызовет через датчик тока 3, резистивные делители 6, 7 и 8, 9 и усилитель 5 дополнительное изменение угла модуляции в этом модуле 1 и устранение появившегося разброса токов. Аналогично датчику тока 3 действуют введенные датчики 12, подключенные через резисторы 13 и 14 к средним точкам а и б резистивных делителей 6, 7 и 8, 9 и в результате образующие первый резистивный делитель 13, 7 и второй - 14, 9 с теми же средними точками а и б. В этих точках формируются сигналы, например, пропорциональные температуре и/или мощности, и/или требуемому уровню загрузки и т.д. каждого модуля 1. Эти сигналы смешиваются с сигналом, пропорциональным току каждого модуля 1. В результате действия каждого датчика 12 осуществляется увеличение (уменьшение) загрузки модулей с компенсацией воздействия указанных параметров. Так, при использовании датчиков температуры при перегреве центральных модулей в конструкции по сравнению с крайними первые разгружаются за счет дополнительной загрузки вторых, а температура всех модулей выравнивается.

Путем выбора соотношения коэффициентов передачи К₁ и К₂ первого и второго резистивных делителей 6, 7 и 8, 9 в каждом модуле 1 и у всего преобразователя в целом можно получить восходящую, жесткую и падающую внешнюю характеристику, а за счет объединения средних точек а первых делителей с образованием общей шины и введения дополнительных датчиков обеспечивается контроль за разбросом токов нагрузки с выравниванием загрузки или обеспечением требуемого разброса загрузки модулей 1 путем выбора соотношения коэффициентов передачи делителей 13, 7 и 14, 9 для исключения их перегрузки и перегрева.

Таким образом, у предлагаемого преобразователя напряжения расширены функциональные возможности, а именно - обеспечена параллельная работа модулей с суммированием мощности на общей или раздельных нагрузках от общего или раздельных источников питания при параллельном или последовательном соединении входных выводов, при этом достигнута равномерная загрузка при наличии разброса параметров элементов ключевого регулятора, блока управления, усилителя, делителей и датчика тока без перегрева модулей или требуемая неравномерность загрузки модулей, а также сохранена возможность регулирования восходящей, жесткой и падающей внешней характеристики преобразователя из нескольких модулей во всем диапазоне изменения тока нагрузка путем управления углом модуляции в каждом модуле. Это достигнуто за счет выполнения преобразователя из набора автономных модулей, каждый из них снабжен датчиками по числу контролируемых параметров, причем выход каждого датчика подсоединен через резисторы к средним точкам обоих резистивных делителей, а средние точки первых резистивных делителей соединены с образованием общей шины, при этом все модули объединены в группы, в каждой из которых входные выводы модулей подключены параллельно к источнику питания, а выходные выводы - параллельно к нагрузке. В другом варианте входные выводы модулей каждой группы соединены последовательно и подключены к своему источнику питания.

Преобразователь напряжения в виде модуля, подключенного к источнику питания и содержащего ключевой регулятор, включенный через датчик тока между входными и выходными выводами, блок управления, связанный выходом с входом ключевого блока, а входом - с выходом усилителя, своими входами соединенного со средними точками двух резистивных делителей, у которых первые выводы объединены с выходом датчика тока, второй вывод первого резистивного делителя подключен к источнику опорного напряжения, а второй вывод второго резистивного делителя - к выходному выводу преобразователя, отличающийся тем, что преобразователь выполнен из нескольких одинаковых модулей, каждый из которых снабжен датчиками по числу контролируемых параметров, причем выход каждого датчика подсоединен через резисторы к средним точкам обоих резистивных делителей, а средние точки первых резистивных делителей соединены с образованием общей шины, при этом модули объединены в группы, в каждой из которых входные выводы модулей подключены параллельно либо последовательно к своему источнику питания, а выходные выводы - параллельно к нагрузке.