Вторичный источник питания

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии. Технический результат заключается в обеспечении работоспособности вторичного источника питания со стабилизацией напряжения на нагрузке в широком диапазоне значений напряжений первичного источника. Вторичный источник питания относится к группе обратноходовых преобразователей с ШИМ регулированием стабилизации выходного напряжения. Устройство содержит: силовой трансформатор (3) с первичной обмоткой, накапливающей энергию от первичного источника (7), вторичные обмотки для передачи энергии в нагрузку (4) и формирования напряжения обратной связи (9-12), коммутирующий элемент (2), датчик тока в виде трансформатора тока (6) с активной нагрузкой (8), генератор (1) с входом управления длительности импульса, управляющего открытым состоянием коммутирующего элемента (2), устройство сравнения (5), выдающее сигналы для ШИМ выходных сигналов генератора (1), и элемент опорного напряжения (стабилитрон) (12). 2 ил.

 

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является вторичный источник питания (см. Патент RU 2095848, кл. G05F 1/56, 1/571 от 10.11.97, опубликован в БИ "Изобретения" №31 за 97 г., стр.500), содержащий генератор прямоугольных импульсов, выходом подключенный к входу коммутирующего элемента, первый выход которого подключен к первому концу первичной обмотки силового трансформатора, вторичные обмотки которого подключены к нагрузке и устройству сравнения, выход которого подключен к входу генератора. Описанное выше устройство взято в качестве прототипа к заявленному устройству.

Недостатком прототипа является необходимость использования специальной микросхемы управления коммутирующего элемента, которая не может обеспечить работоспособность вторичного источника питания для некоторых условий применения, в частности при выходном напряжении первичного источника питания в диапазоне 4,5...7,5 В.

Решаемая задача - создание вторичного источника питания. Техническим результатом является обеспечение работоспособности в широком диапазоне значений напряжений первичного источника.

Технический результат достигается тем, что вторичный источник питания содержит генератор прямоугольных импульсов, выходом подключенный к входу коммутирующего элемента, первый выход которого подключен к первому концу первичной обмотки силового трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, устройство сравнения. Новым является то, что дополнительно введен трансформатор тока, первый конец первичной обмотки которого подключен ко второму концу первичной обмотки силового трансформатора, а второй конец - к первому выходу первичного источника питания, второй выход которого соединен со вторым выходом коммутирующего элемента, первый конец вторичной обмотки трансформатора тока соединен с первым выводом первого резистора и первым входом устройства сравнения, второй вход которого соединен с первыми выводами второго резистора, конденсатора и первым концом вторичной обмотки обратной связи силового трансформатора, второй конец которой, через последовательно соединенные диод и стабилитрон, соединен со вторыми выводами конденсатора, второго резистора, первого резистора и вторым концом вторичной обмотки трансформатора тока, выход устройства сравнения соединен с входом генератора прямоугольных импульсов.

Блок-схема заявляемого вторичного источника питания изображена на фиг.1. На фиг.2 приведена электрическая принципиальная схема одного из возможных вариантов согласно предлагаемому изобретению.

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов 1, выход которого подключен к входу коммутирующего элемента 2, а его первый выход подключен к первому концу первичной обмотки силового трансформатора 3. Ко второму концу первичной обмотки силового трансформатора 3 подключена первым концом первичная обмотка трансформатора тока 6, второй конец его первичной обмотки подключен к первому выходу первичного источника питания 7, а его второй выход присоединен ко второму выходу коммутирующего элемента 2. Одна из вторичных обмоток силового трансформатора 3 своими выводами через диод 13 подключена к нагрузке - параллельно соединенные резистор 4 и конденсатор 14; другая вторичная обмотка (обмотка обратной связи) через последовательно соединенные диод 11 и стабилитрон 12 нагружена на параллельно соединенные резистор 9 и конденсатор 10. Вторичная обмотка трансформатора тока нагружена на резистор 8. Последовательно включенные резистор 8 и резистор 9 с параллельно подключенным к нему конденсатором 10 подключены к входам устройства сравнения 5, выход которого подключен к входу генератора 1. Напряжение питания на генератор 1 и устройство сравнения 5 подается с выходов первичного источника питания 7.

В качестве генератора 1 может использоваться любая известная схема автогенератора, имеющая возможность управления выходным сигналом. Генератор 1 источника питания, согласно схеме фиг.2, выполнен на двух элементах "триггер Шмитта" микросхемы 1526ТЛ1 (возможно использование аналогов 564ТЛ1, 561ТЛ1); резисторы 16, 17, диод 15 и конденсатор 18 являются времязадающими элементами (задают длительности "высокого" и "низкого" уровня сигнала на выходе генератора 1). Коммутирующий элемент 2 вторичного источника питания варианта согласно фиг.2 выполнен на микросхеме 1526ЛА10 (возможно использование 564ЛА10, 561ЛА10), в которой имеются два логических элемента "2И-НЕ" 21, 22, на выходе каждого из них используется КМОП транзистор с открытым стоком с максимальным током до 100 мА и максимальной мощностью рассеивания до 100 мВт (сопротивление в открытом состоянии ≈1 Ом); для уменьшения сопротивления коммутирующего элемента в открытом состоянии используется параллельное включение обоих элементов 21, 22 микросхемы. Устройство сравнения 5 у варианта фиг.2 выполнено на биполярном n-p-n транзисторе 23, коллектор которого соединен с положительным полюсом питания - точка 27 через резистор нагрузки 24; выходом устройства сравнения 5 является общая точка соединения коллектора транзистора 23 и его нагрузки - сопротивления 24; входом устройства сравнения 5 является база-эмиттерный переход транзистора 23. Выводы питания микросхем генератора 1 и коммутирующего элемента 2 подключены к точкам 27, 28 (27 - плюс питания, 28 - минус питания). В варианте фиг.2 диод 25 используется в качестве развязки для предотвращения возврата энергии в первичный источник питания 7, накопленной индуктивностью первичной обмотки трансформатора 3 во время открытого состояния коммутирующего элемента 2, через его внутренний диод, подключенный между стоком транзистора (выходом коммутирующего элемента) и плюсом питания микросхемы 1526ЛА10 (на фиг.2 не показан); конденсатор 26 выполняет роль демпфера, уменьшая амплитуду импульса на выходе коммутирующего элемента 2, обусловленного энергией, накапливаемой в индуктивности рассеяния первичной обмотки силового трансформатора 3.

Вторичный источник питания работает следующим образом. В исходном положении, при отключенном первичном источнике питания 7, в последовательной электрической цепи: первичной обмотке трансформатора тока 6, первичной обмотке силового трансформатора 3 и в коммутирующем элементе 2 электрический ток равен нулю; конденсаторы 10 и 14 разряжены; генератор 1 не работает (на его выходе отсутствуют электрические сигналы). При подключении первичного источника питания 7 начинает работать генератор 1, выдавая на вход коммутирующего элемента 2 последовательность импульсов, приводящих к периодическому чередованию двух его состояний: открытое и закрытое. Таким образом, сигнал на выходе генератора 1 имеет две фазы, определяющие два состояния коммутирующего элемента. В фазе открытого состояния коммутирующего элемента 2, длительностью T_п, к первичной обмотке силового трансформатора 3 через первичную обмотку трансформатора тока 6 и коммутирующий элемент 2 приложено выходное напряжение U₁ первичного источника питания 7. Это приводит к появлению тока в последовательной цепи: первичная обмотка трансформатора тока, первичная обмотка силового трансформатора, коммутирующий элемент, первичный источник питания. Ток в первичной обмотке силового трансформатора 3 с момента перехода коммутирующего элемента 2 в открытое состояние нарастает практически по линейному закону, достигая к концу фазы открытого состояния максимального значения I_max, определяемого выражением:

где U₁ - значение напряжения первичного источника питания;

L₁ - индуктивность первичной обмотки силового трансформатора;

T_п - длительность фазы открытого состояния коммутирующего элемента.

Выражение (1) справедливо при достаточно малых значениях активного сопротивления первичной обмотки силового трансформатора и коммутирующего элемента по сравнению со значением величин, определяемым отношением индуктивности L₁ к длительности T_п фазы открытого состояния коммутирующего элемента (одном из основных требований при корректном проектировании подобных источников вторичного питания). Энергия, накопленная в индуктивности первичной обмотки силового трансформатора, пропорциональна квадрату значения тока и определяется известным выражением:

Индуктивность первичной обмотки трансформатора тока должна быть много меньше индуктивности первичной обмотки силового трансформатора, при этом можно пренебречь ее влиянием на процесс накопления энергии в силовом трансформаторе. После импульсного перевода коммутирующего элемента в закрытое состояние в течение T_н прерывается цепь прохождения тока в первичной обмотке силового трансформатора 3, накопленная в ней энергия передается через вторичную обмотку и диод 13 в нагрузку - резистор 4 и конденсатор 14, и частично через обмотку обратной связи в элементы: диод 11, стабилитрон 12, резистор 9 и конденсатор 10. В отсутствие сигналов управления на входе генератора 1 энергия, накапливаемая в первичной обмотке силового трансформатора, должна быть больше номинальной. Процесс накопления и передачи энергии в нагрузку описан в литературе по импульсным источникам питания, например [1] Б.Ю.Семенов. "Силовая электроника". СОЛОН-Р, Москва, 2001, стр.216-227. Связь между параметрами нагрузки и вторичного источника питания определяется выражением:

где U_н - напряжение на нагрузке (резистор 4);

R_н - значение сопротивления нагрузки;

- коэффициент заполнения;

U₁ - значение напряжения первичного источника питания;

f - частота преобразования;

k - коэффициент трансформации (отношение числа витков вторичной обмотки силового трансформатора 3 к числу витков первичной обмотки).

Процесс передачи накопленной энергии индуктивностью первичной обмотки силового трансформатора 3 в фазе T_п в нагрузку (сопротивление 4) проходит с участием заряда конденсатора 14 (параллельно подключенного к нагрузке 4) в фазе Т_н и его разряда в течение всего периода T=T_п+T_н следования сигналов на входе коммутирующего элемента 2. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:

где I_1max - значение тока в первичной обмотке к моменту окончания фазы проводящего состояния коммутирующего элемента 2;

С - значение емкости конденсатора фильтра 14;

U_i-1, U_i - значение напряжения на конденсаторе 14 в моменты времени, соответствующие (i-1)T и iT;

Δq_зар, Δq_разр - изменения заряда конденсатора 14, обусловленные передачей энергии от первичной обмотки и током разряда на сопротивлении нагрузки 4 соответственно;

- среднее значение напряжения на нагрузке 4.

В переходном режиме работы вторичного источника питания происходит постепенный рост напряжения на конденсаторе 14 и, соответственно, на нагрузке 4 за счет порций энергий, передаваемых с каждым периодом выходных сигналов генератора 1 из первичной обмотки трансформатора 3. Из анализа выражений (4), (5), (6) следует:

- при постоянстве энергии W, накапливаемой в первичной обмотке, приращение заряда Δq_зар и, соответственно, напряжения конденсатора 14 уменьшается по мере роста среднего значения напряжения на нем;

- разряд конденсатора 14 Δq_разр за счет тока, отдаваемого в нагрузку 4 за период T, растет по мере роста среднего напряжения на конденсаторе.

В переходном режиме Δq_зар>Δq_разр.

Установившийся режим характеризуется прекращением роста среднего значения напряжения на конденсаторе 14 и, соответственно, на нагрузке 4. При этом наступает равенство изменений зарядов:

При замене в выражении (4) сомножителя С(U_i-U_i-1) на правую часть равенства (7) получим:

Равенство (8) также вытекает из принципа сохранения энергии.

В установившемся режиме значение среднего напряжения на нагрузке U_cp может быть определено из формулы (8) с учетом формулы (1):

Из выражения (9) видно, что среднее напряжение на нагрузке определяется значениями: напряжения первичного источника питания U₁, длительностью фазы открытого состояния коммутирующего элемента T_п, сопротивления нагрузки R_н, индуктивностью первичной обмотки силового трансформатора L₁ и периода следования сигналов Т на управляющем входе коммутирующего элемента. При постоянстве значений Т_п и T (отсутствуют сигналы управления на входе генератора 1) напряжение на нагрузке будет изменяться при изменении напряжения первичного источника питания и сопротивления нагрузки. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется изменением длительности T_п - широтно-импульсная модуляция (ШИМ), посредством подачи на управляющий вход генератора 1 импульсных сигналов с выхода устройства сравнения 5. По фронту импульсных сигналов на входе генератора 1 прерывается формирование фазы сигнала, определяющего открытое состояние коммутирующего элемента, устанавливается уровень сигнала, соответствующий закрытому состоянию коммутирующего элемента (фаза T_н). Длительность фазы T_н определяется времязадающими элементами генератора 1. После окончания фазы T_н начинается новый цикл формирования сигнала фазы T_п, накопления энергии в индуктивности первичной обмотки трансформатора и передачи ее в нагрузку. Импульсный сигнал на выходе устройства сравнения 5 формируется в момент, когда переменное напряжение на его входе достигает некоторого определенного (порогового) значения U_пор. Напряжение на входе устройства сравнения 5 U_вх определяется суммой напряжений на резисторах 8, 9.

где

k_дт - коэффициент трансформации трансформатора тока 6;

R_дт - значение резистора 8, подключенного к вторичной обмотке трансформатора тока 6;

U_ос - амплитуда напряжения на обмотке обратной связи силового трансформатора 3, возникающего при запирании ключевого элемента 2;

U_д - падение напряжения на диоде 11 при протекании прямого тока;

U_ст - напряжение стабилизации стабилитрона 12;

U₁ - напряжение первичного источника питания 7;

i₁(t) - временная зависимость тока в последовательной цепи - первичный источник 7, первичные обмотки трансформаторов тока 6 и силового трансформатора 3, коммутирующий элемент 2;

W_ос, W₂ - число витков обмотки обратной связи и вторичной обмотки силового трансформатора 3;

U₂ - значение амплитуды напряжения на выводах вторичной обмотки силового трансформатора 3 в фазе закрытого состояния T_н коммутирующего элемента 2.

В зависимости от выбранных параметров вторичного источника питания, а именно

- диапазона значений выходных напряжений первичного источника питания 7;

- индуктивности первичной обмотки силового трансформатора 3 (L₁);

- периода повторения сигналов на входе коммутирующего элемента 2 и длительности фазы T_н;

- коэффициента трансформации трансформатора тока 6 и значения сопротивления 8 нагрузки его вторичной обмотки;

- отношение числа витков обмоток силового трансформатора 3 (W_ос, W₂);

- значение порогового напряжения устройства сравнения 5,

возможна реализация трех характерных режимов работы.

При (T_по - длительность фазы открытого состояния коммутирующего элемента 2 при отсутствии сигнала управления на входе генератора 1) на выходе устройства сравнения отсутствуют сигналы управления; установившееся напряжение на нагрузке определяется выражением (3).

При сигнал на выходе устройства сравнения 5 и, соответственно, на входе генератора 1 появляется через время T_п от момента начала перехода коммутирующего элемента 2 в открытое состояние.

В этом режиме при всех значениях напряжения первичного источника питания U₁ амплитуда тока в первичной обмотке силового трансформатора ограничивается на уровне что обеспечивает постоянство передаваемой энергии в нагрузку и ограничивает ток коммутирующего элемента на безопасном уровне (определяется формулой (2)). Однако для этого случая стабильность напряжения на нагрузке будет невысокая, так так при постоянстве передаваемых порций энергии в нагрузку период их следования может изменяться в зависимости от значений T_п. Более высокая степень стабилизации вторичного напряжения (на нагрузке) достигается для режима, при котором:

для всего рабочего диапазона значений напряжений первичного источника питания. Формирование выходного сигнала устройства сравнения 5 происходит в тот момент, когда выполняется равенство:

Отсюда значение напряжения на нагрузке U₂ равно:

Для случаев, когда U_ст≫U_пор с учетом того, что выражение (16) можно в первом приближении представить в виде:

Обеспечение требуемого значения выходного напряжения вторичного источника питания достигается выбором стабилитрона 12 с значением напряжения стабилизации и отношением числа витков вторичной обмотки W₂ и обмотки обратной связи W_ос силового трансформатора, удовлетворяющих условию (17).

В устройстве согласно фиг.2 генератор выполнен по схеме мультивибратора на двух инверторах с RC времязадающими элементами. В качестве инверторов используются двухвходовые элементы "2И-НЕ" 19, 20, микросхемы 1526ТЛ1 или 564ТЛ1 ("триггер Шмитта"). Резисторы 16, 17, конденсатор 18 и диод 15 задают длительности фаз Т_по и Т_н. Диод, шунтирующий резистор 16, увеличивает скорость перезарядки конденсатора 18 в фазе T_н (фаза "нулевого" состояния на выходе генератора), сокращая ее длительность по сравнению с фазой Т_по. Это позволяет получить начальное значение скважности γ, большее 0.5, для компенсации ее уменьшения (за счет регулировки по цепи обратной связи) при максимальных напряжениях первичного источника питания 7. Обратная связь в генераторе осуществляется через конденсатор 18, соединяющий выход генератора (выход элемента 20) с входом элемента 19, второй его вход соединен с выходом устройства сравнения, выполненного на биполярном n-p-n транзисторе 23, коллектор которого, через резистор 24, подключен к шине питания с положительным потенциалом через диод 25. Значение порогового напряжения такого устройства сравнения равно напряжению прямосмещенного p-n перехода база-эмиттер транзистора 23 U_пор=0.5...0.6 В. При значениях напряжения база-эмиттер транзистор заперт, потенциал на его коллекторе и, соответственно, на входе элемента 19 близок к уровню логической "1", элемент 19 выполняет функцию инвертора. Работа генератора определяется процессом заряда (перезаряда) конденсатора 18 по цепи - выход элемента 20, конденсатор 18, резистор 16 в параллель с диодом 15, резистор 17, выход элемента 19. В фазе формирования T_п при достижении суммы напряжений на резисторах 8 и 9, приложенной к базо-эмиттерному переходу транзистора 23, значения, превышающего 0.5...0.6 В, его коллекторный ток резко увеличивается, а потенциал коллектора и входа элемента 19 уменьшается, что приводит к изменению напряжения на выходе элемента 19 и входе элемента 20 с уровня "0" до "1", а на выходе элемента 20 (выход генератора) напряжение изменяется с уровня "1" на "0". Таким образом, заканчивается фаза T_п и начинается фаза T_н, коммутирующий элемент переходит в закрытое состояние, ток в первичной обмотке спадает до 0, и, соответственно, уменьшается напряжение на резисторе 8 (уменьшая сумму напряжений U_бэ), транзистор 23 запирается, потенциал на его коллекторе и на входе элемента 19 увеличивается до уровня "1". Энергия, накопленная в первичной обмотке силового трансформатора к концу фазы T_п передается во вторичную обмотку, подзаряжая конденсатор 14, и частично в обмотку обратной связи через стабилитрон 12 и диод 11, заряжая конденсатор 10 до значения, равного разности напряжений . В фазе T_н происходит перезаряд конденсатора по цепи выход элемента 19 (с высоким уровнем напряжения), резистор 17, диод 15, параллельно подключенный к резистору 16, конденсатор 18, выход элемента 20 (с низким уровнем напряжения). По достижению потенциала в точке соединений выводов: конденсатора 18, резистора 16, диода 15 и выхода элемента 19 уровня, превышающего порог переключения элемента 19, потенциал на его выходе изменится с высокого на низкий, а на выходе элемента 20 - с низкого уровня на высокий (конец формирования фазы T_н), начинается новый цикл формирования выходного сигнала генератора 1 с фазы T_п. В дальнейшем процесс повторяется.

По схеме согласно фиг.2 изготовлены и испытаны экспериментальные образцы вторичного источника питания; результаты испытаний подтвердили их работоспособность; нестабильность напряжения на нагрузке не более 1%. В качестве элементов 19, 20 использованы два вентиля микросхемы 1526ТЛ1, в качестве элементов 21, 22 использована микросхема 1526ЛА10, транзистор 23 - 2Т399А, стабилитрон 12 - 2С156А, диоды - 2Д522Б, трансформатор тока выполнен на ферритовом сердечнике М2000-НМ1 К5×3×1.5, силовой трансформатор выполнен на ферритовом сердечнике М2000-НМ1 К7×4×2 с воздушным зазором.

Вторичный источник питания, содержащий генератор прямоугольных импульсов, выходом подключенный к входу коммутирующего элемента, первый выход которого подключен к первому концу первичной обмотки силового трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, устройство сравнения, отличающийся тем, что дополнительно введен трансформатор тока, первый конец первичной обмотки которого подключен ко второму концу первичной обмотки силового трансформатора, а второй конец - к первому выходу первичного источника питания, второй выход которого соединен со вторым выходом коммутирующего элемента, первый конец вторичной обмотки трансформатора тока соединен с первым выводом первого резистора и первым входом устройства сравнения, второй вход которого соединен с первыми выводами второго резистора, конденсатора и первым концом обмотки обратной связи силового трансформатора, второй конец которой через последовательно соединенные диод и стабилитрон соединен со вторыми выводами конденсатора, второго резистора, первого резистора и вторым концом вторичной обмотки трансформатора тока, выход устройства сравнения соединен с входом генератора прямоугольных импульсов.