Импульсный преобразователь напряжения с регулированием на стороне переменного тока, выполненный на оптопаре для технических средств охраны

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено для электропитания потребителей, получающих входное напряжение питания в широком диапазоне, в частности для технических средств охраны в системах охранной тревожной сигнализации, и позволяет получить технический результат - повысить надежность работы за счет упрощенной схемы управления. Импульсный преобразователь напряжения состоит из сетевого фильтра, сетевого выпрямителя, импульсного трансформатора, выпрямителя напряжения, фильтра, силового элемента, оптронной пары. Технический результат достигается за счет применения оптопары путём обеспечения точности значения выходного напряжения при любом значении тока нагрузки. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, может быть применено для электропитания потребителей, получающих входное напряжение питания в широком диапазоне, может быть использовано для технических средств охраны в системах охранной тревожной сигнализации и позволяет получить технический результат - повысить надежность работы за счет упрощенной схемы управления. Указанный технический результат достигается за счет применения оптопары, обеспечивая точность значения выходного напряжения при любом значении тока нагрузки.

Известен стабилизированный преобразователь напряжения (Патент №2474948 C1, 2011 г. ). Техническим результатом изобретения является повышение надежности путем упрощения схемы управления транзисторных ключей.

Известен понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное (Патент №2470450, C1, 02.12.2011 г.). Технический результат заключается в повышении коэффициента мощности и упрощении конструкции заявленного устройства.

Известно устройство (Патент №2467460 C1, 31.05.2011 г.), выбранное за прототип. Выходная цепь импульсного преобразователя напряжения, способ ее гальванической рязвязки, импульсный преобразователь напряжения и импульсный источник питания. Технический результат - создание технических решений гальванической развязки выходной цепи импульсного источника питания и/или импульсного преобразователя напряжения, включая цепи полезной нагрузки. Импульсный преобразователь содержит источник постоянного напряжения (условно не показан), ключевой каскад и выходную цепь, включающую устройство гальванической развязки с выпрямителем и сглаживающий фильтр, при этом выпрямитель подключен к ключевому каскаду через две или более разделительные емкости, являющиеся элементом гальванической развязки, а полезная нагрузка подключена к выпрямителю через две или более разделительные индуктивности, также являющиеся элементом гальванической развязки и одновременно элементами сглаживающего фильтра. Полезная нагрузка может быть подключена к разделительным индуктивностям и с использованием дополнительного сглаживающего фильтра. Импульсный преобразователь может включать, по меньшей мере, одну дополнительную выходную цепь, выполненную аналогично цепи.

Недостатком данного импульсного преобразователя напряжения является невысокое значение идеальной гальванической развязки между силовой схемой и схемой управления.

Целью данного изобретения является повышение эффективности работы, то есть возможность обеспечения идеальной (гальванической) развязки между силовой схемой и схемой управления; однонаправленность управления по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель; широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам); невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, обуславливает их защищенность от помех и исключает взаимные помехи.

Эта задача решена тем, что в структурную схему дополнительно введена оптронная пара.

Сущность изобретения пояснена чертежом,

где на фиг.1 приведена структурная схема в соответствии с п. 1 формулы.

Импульсный преобразователь напряжения имеет сетевой фильтр 1, сетевой выпрямитель 2, импульсный трансформатор 3, выпрямитель напряжения 4, выходной фильтр 5, регулирующий элемент 6, оптронная пара 7.

Сетевой фильтр 1. Напряжение питания питающей сети 85-265 В частотой 50 Гц поступает на помехоподавляющий фильтр, состоящий из дросселя L1 и конденсаторов C1, C2, C3. Терморезистор RK1 ограничивает значение пускового тока через выпрямительные диоды.

Сетевой выпрямитель 2. Выпрямитель собран по мостовой схеме на диодах VD3-VD6. Конденсаторы С4-С7 предназначены для выравнивания обратных напряжений при переходных процессах па диодах VD3-VD6 и для защиты от помех. Напряжение сети через терморезистор RK1 подается на мостовую схему и после выпрямления заряжает конденсатор C8.

Узел управления. Реализует широтно-импульсный принцип стабилизации выходного напряжения. На элементах DD1.1, DD1.2 выполнен задающий генератор, работающий на частоте около 100 кГц при скважности, близкой к двум. Импульсы длительностью около 5 мкс через конденсатор C11 поступают на вход элемента DD1.3, а затем усиливаются по току включенными параллельно элементами DD1.4 - DD1.6.

Чтобы стабилизировать выходное напряжение импульсного преобразователя напряжения, длительность импульса во время регулирования уменьшается. С этой целью транзистор VT1, открываясь каждый период работы генератора, принудительно устанавливает на входе элемента DD1.3 низкий уровень. Это состояние удерживается до конца очередного периода разряженным конденсатором C1.

На транзисторах VT2, VT3 выполнен мощный усилитель тока, обеспечивающий форсированное переключение коммутирующего транзистора VT4.

Когда транзистор VT4 открыт, ток, протекающий через него и обмотку I трансформатора Т1, линейно нарастает. Импульсное напряжение с датчика тока R11 через резистор R7 подается на базу транзистора VT1. Чтобы исключить ложное открывание транзистора, выбросы тока сглаживает конденсатор C12.

Выпрямитель напряжения 4. Выпрямитель напряжения выполнен на диоде VD9, диод Шоттки, позволяет выполнять функции переключения со значительно более высокой скоростью, чем обычные диоды. Благодаря небольшому падению напряжения на диоде VD9 потери мощности минимальны.

Первые после запуска несколько периодов мгновенное напряжение на базе транзистора VT1 остается меньше напряжения открывания. Как только мгновенное напряжение во время очередного периода достигнет порога 0,7 В, транзистор VT1 откроется, что, в свою очередь, приведет к закрыванию коммутирующего транзистора VT4. Таким образом, ток в обмотке I, а значит и в нагрузке не может превышать некоторого значения, заранее определенного сопротивлением резистора R11. Этим обеспечивается защита ИПН от перегрузки по току.

Импульсный трансформатор 3. Фазировка обмоток трансформатора Т1 установлена такой, что во время открытого состояния транзистора VT4 диоды VD7 и VD9 закрыты обратным напряжением. Когда коммутирующий транзистор закроется, напряжение на всех обмотках меняет знак и увеличивается до тех пор, пока эти диоды не откроются. Тогда энергия, накопленная во время импульса в магнитном поле трансформатора Т1, направляется на зарядку конденсаторов выходного фильтра C15 и конденсаторов C9. Фазировка обмоток II и III совпадет. Поэтому напряжение на конденсаторе C9 в режиме стабилизации выходного напряжения также стабилизировано независимо от значения входного напряжения ИПН.

Регулирующий элемент 6. Регулирующим элементом ИПН является микросхема DA2 с фиксированным выходным напряжением серии КР142 - выпускаемые отечественной промышленностью интегральные стабилизаторы напряжения. Когда напряжение на управляющем входе микросхемы достигнет 2,5 В, через нее и через излучающий диод оптрона U1.2 (7) начинает протекать ток, увеличивающийся с ростом выходного напряжения. Фототранзистор оптрона U1.2 открывается, и ток, протекающий через резисторы R5, R7 и R11, создает на них падение напряжения, также увеличивающееся с ростом выходного напряжения.

Мгновенное напряжение на базе транзистора VT1, равное сумме падения напряжения на резисторе R7 и датчика тока R11, не может превышать 0,7 В. Поэтому при увеличении тока фототранзистора оптрона увеличивается постоянное напряжение на резисторе R7 и уменьшается амплитуда импульсной составляющей на резисторе R11, что, в свою очередь, происходит только из-за уменьшения длительности открытого состояния коммутирующего транзистора VT4. Если же длительность импульса уменьшается, то сокращается и «порция» энергии, перекачиваемая каждый период трансформатором Т1 в нагрузку.

Таким образом, если выходное напряжение ИПН меньше номинального значения, например, во время его запуска, длительность импульса и энергия, передаваемая на выход, максимальны. Когда выходное напряжение достигнет номинального уровня, появится сигнал обратной связи, вследствие чего длительность импульса уменьшится до значения, при котором выходное напряжение стабилизируется.

Если по каким-либо причинам выходное напряжение увеличивается, например, при резком уменьшении тока нагрузки:

- сигнал обратной связи также увеличится;

- длительность импульса уменьшится, вплоть до нуля;

- выходное напряжение ИПН возвращается к номинальному значению.

На микросхеме DA1 выполнен узел запуска преобразования. Его назначение блокировать работу узла управления, если напряжение питания меньше 7,3 В. Это обстоятельство связанно с тем, что коммутатор - полевой транзистор IRFBE20 - не полностью открывается при напряжении на затворе менее 7 В.

Узел запуска работает следующим образом. При включении ИПН конденсатор С9 начинает заряжаться через резистор R8. Пока напряжение на конденсаторе составляет единицы вольт, на выходе микросхемы DA1 удерживается низкий уровень, и работа узла управления заблокирована. В этот момент микросхема DA1 потребляет ток 0,2 мА, и падение напряжения на резисторе R1 составляет около 3 В. Примерно через 0,15-0,25 с напряжение на конденсаторе достигнет 10 В, при котором напряжение на микросхемы DA1 равно пороговому значению (7,3 В). На ее выходе появляется высокий уровень, разрешающий работу задающего генератора и узла управления. Начинается запуск преобразователя. В это время узел управления питается энергией, запасенной в конденсаторе C9. Напряжение на выходе преобразователя начнет увеличиваться, а значит оно будет увеличиваться и на обмотке II во время паузы. Когда оно станет больше напряжения на конденсаторе С9, диод VD7 откроется, и конденсатор в дальнейшем будет каждый период подзаряжаться от вспомогательной обмотки II. Здесь, однако, следует обратить внимание на важную особенность ИПН.

Ток зарядки конденсатора через резистор R8, в зависимости от входного напряжения ИПН, составляет 1-1,5 мА, а потребление узла управления во время работы - 10-12 мА. Это означает, что во время до порогового уровня микросхемы DA1, узел управления выключится, а поскольку в выключенном состоянии он потребляет не более 0,3 мА, напряжение на конденсаторе C9 будет увеличиваться до повторного включения.

Это происходит либо при перезагрузке, либо при большой емкостной нагрузке, когда напряжение на выходе не успевает за пусковое время 20-30 мс увеличиться до номинального значения. В этом случае необходимо увеличить емкость конденсатора C9. Указанная особенность работы узла управления позволяет ИПН находиться в режиме перегрузки неограниченно долго, поскольку он в этом случае работает в пульсирующем режиме, причем время работы (запуск) в 8-10 раз меньше времени нерабочего состояния. Коммутирующие элементы при этом не нагреваются.

Еще одна особенность ИПН - защита нагрузки от превышения напряжения, которое происходит, например, при отказе какого-либо элемента в цепи обратной связи. В рабочем режиме напряжение на конденсаторе C9 - примерно 10 В, и стабилитрон VD1 закрыт.

В случае обрыва в цепи обратной связи выходное напряжение увеличивается сверх номинального значения. Но вместе с ним увеличивается напряжение на конденсаторе C9, и при значении около 13 В стабилитрон VD1 открывается. Процесс длится 50-500 мс, в течение которых ток через стабилитрон плавно нарастает, многократно превышая его максимальное значение. При этом кристалл элемента нагревается и расплавляется - стабилитрон практически превращается в перемычку с сопротивлением от единиц до нескольких десятков ом.

Напряжение на конденсаторе C9 уменьшается до значений, недостаточных для включения узла управления. Выходное же напряжение, получив в зависимости от тока нагрузки приращение в 1,3-1,8 раза, уменьшается до нуля. На элементах L2, C19 (5) выполнен дополнительный фильтр, уменьшающий амплитуду пульсаций выходного напряжения. Чтобы уменьшить проникновение высокочастотных помех в сеть, на выходе установлен фильтр C1-C3, C4-C7, который, к тому же, сглаживает потребляемый во время работы импульсный ток с частотой 100 Гц. Терморезистор RK1 имеет относительно высокое сопротивление в холодном состоянии, что ограничивает пусковой ток преобразователя при включении и защищает диоды сетевого выпрямителя. Во время работы терморезистор нагревается, сопротивление его уменьшается в несколько раз и на КПД ИПН практически не влияет. При закрывании транзистора VT4 на обмотке трансформатора Т1 возникает импульс напряжения, амплитуда которого определяется индуктивностью рассеяния. Чтобы ее уменьшить, в преобразователе установлена цепь VD8, R9, С14. Она устраняет опасность пробоя коммутирующего транзистора и снижает требования по максимальному напряжению на его стоке, что повышает надежность ИПН в целом.

Теплоотвод транзистора соединяют с общей точкой конденсатора С1 и С2. В этом случае ИПН лучше подключить к трехконтактной розетке с заземлением. Это позволит значительно уменьшить излучаемые преобразователем помехи.

Таким образом, ИПН, выполненный с применением оптопары, выгодно отличается от известных ИПН, так как повышается его надежность работы за счет упрощенной схемы управления.

Предлагаемый ИПН реализован на современной элементной базе, по своим техническим характеристикам вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым по электропитанию для современных технических средств охраны.

Литература

1. Полушкин И.С., Алехин М.Ю. Импульсные источники питания для технических средств охраны // Научный журнал «Специальная техника» 2011. - №6. - С. 30-35.

2. Шмаков С.Б. Как создать источники питания своими руками. - СПб.: Наука и техника, 2013. - 288 с.

Импульсный преобразователь напряжения с регулированием на стороне переменного тока, состоящий из сетевого фильтра из конденсаторов C1, С2, С3 и дросселя L1, на который поступает напряжение питающей сети, сетевого выпрямителя, собранного по мостовой схеме на диодах VD3-VD6 и конденсаторах С4-С7, коммутирующего транзистора VT4, импульсного трансформатора Т1 с тремя обмотками, через первую из которых протекает линейно нарастающий ток открытого транзистора VT4, цепи из диода VD8, резистора R9 и конденсатора С14, уменьшающей амплитуду импульсного напряжения первой обмотки импульсного трансформатора при закрытии транзистора VT4, выпрямителя напряжения 4, конденсатора выходного фильтра С15, заряжаемого энергией магнитного поля трансформатора Т1 после закрытия транзистора VT4, узла управления, реализующего принцип стабилизации, отличающийся тем, что содержит узел запуска, оптрон U1.2 и регулирующий элемент 6, выполненный на микросхеме с фиксированным выходным напряжением, через которую и излучающий диод оптрона U1.2 протекает ток, увеличивающийся с ростом выходного напряжения, после достижения напряжения на управляющем входе регулирующего элемента порогового значения, что приводит к увеличению тока фототранзистора оптрона U1.2 и к уменьшению длительности открытого состояния транзистора VT1.