Универсальный источник питания
Владельцы патента RU 2658326:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "Пензенский государственный университет") (RU)
Изобретение относится к области преобразования электрической энергии и может применяться для преобразования напряжения питания переменного тока, например, промышленной сети в регулируемое постоянное или переменное напряжение. Технический результат – исключение выбросов в выходном напряжении, обеспечение равномерности регулирования выходного напряжения и возможности получения выходного напряжения, превышающего напряжение питания универсального источника питания. Технический результат достигается тем, что в универсальный источник питания, содержащий n цепочек, состоящих из последовательно включенных ключа, конденсатора и соединенных с ним разноименными электродами двух диодов, источник напряжения питания постоянного тока, накопительный конденсатор, включенный параллельно выходу универсального источника питания, источник опорного напряжения и регулируемый делитель напряжения, соединенные по входам с выходом универсального источника питания, а по выходу с входами схемы сравнения, соединенной по выходу с входом блока управления, выходы которого подключены соответственно к входам управления ключей и регулируемого делителя напряжения, введены дополнительные ключи, соединяющие общую точку ключа и конденсатора последующей ячейки с общей точкой диодов и конденсатора предшествующей ячейки, а в первой ячейке - с выводом источника напряжения питания постоянного тока, соединенного со свободными концами первых диодов всех ячеек, причем свободные концы вторых диодов всех ячеек соединены с выходом универсального источника питания. 2 ил.
Изобретение относится к области преобразования электрической энергии и может применяться для преобразования напряжения питания переменного тока, например, промышленной сети в постоянное напряжение или переменное напряжение заданной формы.
Известны и широко применяются вторичные источники питания, основанные на предварительном выпрямлении сетевого напряжения, преобразовании полученного постоянного напряжения в переменное высокочастотное, масштабировании полученного напряжения с помощью трансформатора и выпрямлении [1]. Их недостатком является сложность, обусловленная необходимостью применения промежуточных трансформаторов. Также известны бестрансформаторные конденсаторные источники вторичного питания и преобразователи переменного тока в постоянный [2, 3, 4]. Из известных наиболее близким по технической сущности является универсальный источник питания (SU 2570569 Н02М 7/19) [4]. Его схема приведена на фиг. 1. Универсальный источник питания содержит выпрямитель 1, накопительный конденсатор 2, n цепочек, каждая из которых содержит первый диод 3, конденсатор 4 и во всех ячейках, кроме последней, второй диод 5 и управляемый ключ 6, диоды 7, управляемые ключи 8 и 9, первый блок управления 10, схему сравнения 11, регулируемый делитель напряжения 12, источник опорного напряжения 13 и второй блок управления 14.
Входные выводы выпрямителя 1 подключены к источнику переменного тока, а выход соединен с цепями питания блока управления 10. Каждая из n цепочек, включенных параллельно, представляет собой последовательное соединение первого диода 3, конденсатора 4 и во всех ячейках, кроме последней диода 5 и управляемого ключа 6, включенного в каждой цепочке параллельно диоду 5. Каждая цепочка соединена с последующей через диод 7, включенный между разноименными обкладками конденсаторов 4. Первая цепочка соединена с выходом выпрямителя 1 через первый управляемый ключ 8. Общая точка первых диодов 3 цепочек соединена через второй управляемый ключ 9 с накопительным конденсатором 2, включенным параллельно выходу универсального источника питания. Управляющие входы ключей 8 и 9 соединены с выходом первого блока управления 10, вход которого соединен с выходом схемы сравнения 11. Входы схемы сравнения 11 соединены соответственно с выходами регулируемого делителя напряжения 12 и источника опорного напряжения 13, подключенных по входам к выходу универсального источника питания. Вход синхронизации второго блока управления 14 подключен к выходу первого блока управления 10, а выходы - к управляющим входам дополнительных ключей 6 и регулируемого делителя напряжения 12.
Работает универсальный источник питания следующим образом. В установившемся режиме блок управления 10 вырабатывает сигнал постоянной частоты и скважности. Управляемые ключи 8 и 9 работают в противофазе: когда управляемый ключ 8 замкнут, управляемый ключ 9 разомкнут, и наоборот. Под действием сигналов блока управления 10 состояние управляемых ключей 8 и 9 периодически изменяется на противоположное.
При замыкании управляемого ключа 8 происходит заряд конденсаторов 4 через диоды 7 до напряжения, равного , где n - количество ячеек, UB - выходное напряжение выпрямителя 1, tз - продолжительность заряда конденсаторов 4, τ - постоянная времени заряда конденсаторов 4. При размыкании управляемого ключа 8 и замыкании управляемого ключа 9 конденсаторы 4 через диоды 3 и управляемые ключи 6 параллельно подключаются к накопительному конденсатору 2 и заряжают его практически до этого напряжения, так как емкость конденсатора 2 выбирается значительно меньшей, чем емкость конденсаторов 4. Подстройка выходного напряжения универсального источника питания в небольших пределах осуществляется путем регулирования коэффициента передачи управляемого делителя напряжения 12.
В случае изменения нагрузки или входного напряжения переменного тока выходное напряжение универсального источника питания начинает изменяться. Это приводит к изменению выходного напряжения управляемого делителя напряжения 12. Выходное напряжение источника опорного напряжения 13 остается неизменным. Следовательно, выходное напряжение схемы сравнения 11, равное разности выходных напряжений источника опорного напряжения 13 и управляемого делителя напряжения 12, изменяется. В результате изменяется скважность выходного сигнала блока управления 10. При уменьшении выходного напряжения универсального источника питания скважность изменяется таким образом, чтобы увеличить время заряда конденсаторов 4 и тем самым напряжение на них. В результате при замыкании управляемого ключа 9 накопительный конденсатор 2 зарядится до большего значения и выходное напряжение восстановится. При возрастании выходного напряжения универсального источника питания скважность изменяется таким образом, чтобы уменьшить время заряда конденсаторов 4 и тем самым напряжение на них. В результате при замыкании управляемого ключа 9 накопительный конденсатор 2 зарядится до меньшего значения и выходное напряжение восстановится.
Подстройка выходного напряжения универсального источника питания в небольших пределах осуществляется путем регулирования коэффициента передачи управляемого делителя напряжения 12. Для регулирования выходного напряжения универсального источника питания дискретно в широких пределах используются дополнительные управляемые ключи 6. В такте заряда, когда замкнут управляемый ключ 8, по команде второго блока управления 14 замыкается один из дополнительных управляемых ключей 6 в цепочке m. Заряд конденсаторов 4 в цепочках, последующих за m не происходит, а конденсаторы 4 в цепочке m и предшествующих ей заряжаются до напряжения 
. В такте перезаряда, когда управляемый ключ 8 разомкнут, а управляемый ключ 9 замкнут, до этого напряжения заряжается конденсатор 2. При этом по команде второго блока управления 14 соответствующим образом изменяется коэффициент передачи управляемого делителя напряжения 12, что обеспечивает стабильность напряжения заряда конденсатора 2 на соответствующем уровне. Изменяя номер цепочки m в требуемых циклах заряда-перезаряда, можно обеспечить изменение выходного напряжения по требуемому закону.
Недостатком рассмотренного универсального источника питания является то, что выходное напряжение универсального источника питания не может быть больше входного напряжения (напряжения выпрямителя 1), а также неравномерность дискретного регулирования выходного напряжения и вследствие этого большая амплитуда выбросов (переходные процессы).
Предлагаемое изобретение направлено на обеспечение возможности получения выходного напряжения, превышающего напряжение питания универсального источника питания, а также обеспечение равномерности регулирования выходного напряжения за счет постоянства шага дискретизации независимо от номера включаемых дополнительных ключей и уменьшения амплитуды выбросов.
Указанный технический результат достигается тем, что в универсальный источник питания, содержащий n цепочек, состоящих из последовательно включенных ключа, конденсатора и соединенных с ним разноименными электродами двух диодов, источник напряжения питания постоянного тока, накопительный конденсатор, включенный параллельно выходу универсального источника питания, источник опорного напряжения и регулируемый делитель напряжения, соединенные по входам с выходом универсального источника питания, а по выходу с входами схемы сравнения, соединенной по выходу с входом блока управления, выходы которого подключены соответственно к входам управления ключей и регулируемого делителя напряжения, введены дополнительные ключи, соединяющие общую точку ключа и конденсатора последующей ячейки с общей точкой диодов и конденсатора предшествующей ячейки, а в первой ячейке - с выводом источника напряжения питания постоянного тока, соединенного со свободными концами первых диодов всех ячеек, причем свободные концы вторых диодов всех ячеек соединены с выходом универсального источника питания.
На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого варианта реализации универсального источника питания. Универсальный источник питания содержит источник напряжения питания постоянного тока 1, накопительный конденсатор 2, n цепочек, каждая из которых состоит из ключа 3, конденсатора 4, диодов 5, 6 и дополнительного ключа 7, схему сравнения 8, регулируемый делитель напряжения 9, источник опорного напряжения 10 и блок управления 11.
Каждая из n цепочек представляет собой последовательное соединение ключа 3, конденсатора 4 и соединенных с ним разноименными электродами двух диодов 5 и 6. Дополнительные ключи 7 соединяют общую точку ключа 3 и конденсатора 4 последующей ячейки с общей точкой диодов 5, 6 и конденсатора 3 предшествующей ячейки, а в первой ячейке - с выводом источника напряжения питания постоянного тока 1 и свободными концами диодов 5 всех ячеек. Свободные концы диодов 6 всех ячеек соединены с накопительным конденсатором 2, включенным параллельно выходу универсального источника питания. Управляющие входы ключей 3, 7 каждой из ячеек и регулируемого делителя напряжения 9 соединены соответственно с выходами блока управления 11, вход которого соединен с выходом схемы сравнения 8. Входы схемы сравнения 8 соединены соответственно с выходами регулируемого делителя напряжения 9 и источника опорного напряжения 10, подключенных по входам к выходу универсального источника питания.
Работает универсальный источник питания следующим образом.
После включения накопительный конденсатор 2 через диоды 5 и 6 и конденсаторы 4 всех ячеек через диоды 5 и нормально замкнутые ключи 3 заряжаются до напряжения источника питания постоянного тока 1. Для изменения выходного напряжения по сигналу блока управления 11 в одной или нескольких га ячейках начинается периодическое переключение ключей 3 и 7, которые работают в противофазе: когда ключ 3 замкнут, ключ 7 разомкнут, и наоборот. При замыкании ключа 3 происходит заряд конденсаторов 4 через диоды до напряжения 
, где U - напряжение источника питания постоянного тока 1, tз - продолжительность заряда конденсаторов 4, τ - постоянная времени заряда конденсаторов 4. При размыкании ключа 3 и замыкании ключа 7 конденсаторы 4 через ключи 7 и диоды 6 подключаются к накопительному конденсатору 2 и увеличивают напряжение на нем на величину mU. Изменяя в каждом такте количество коммутируемых ключей, можно получить требуемый закон изменения выходного напряжения. Для получения двухполярного переменного выходного напряжения достаточно на выходе универсального источника дополнительно выключить ключи, обеспечивающие перекоммутацию полярности выходного напряжения.
Подстройка выходного напряжения универсального источника питания в небольших пределах осуществляется путем регулирования коэффициента передачи управляемого делителя напряжения 9.
В случае изменения нагрузки или напряжения источника питания постоянного тока 1 выходное напряжение универсального источника питания начинает изменяться. Это приводит к изменению выходного напряжения управляемого делителя напряжения 9. Выходное напряжение источника опорного напряжения 10 остается неизменным. Следовательно, выходное напряжение схемы сравнения 8, равное разности выходных напряжений источника опорного напряжения 10 и управляемого делителя напряжения 9, изменяется. Это приводит к изменению скважности или частоты сигнала управления ключами 3 и 7, вырабатываемого блоком управления 11. При уменьшении выходного напряжения универсального источника питания скважность изменяется таким образом, чтобы увеличить время заряда конденсаторов 4 и тем самым напряжение на них. В результате при замыкании ключа 7 накопительный конденсатор 2 зарядится до большего значения и выходное напряжение восстановится. При возрастании выходного напряжения универсального источника питания скважность изменяется таким образом, чтобы уменьшить время заряда конденсаторов 4 и тем самым напряжение на них. В результате при замыкании управляемого ключа 7 накопительный конденсатор 2 зарядится до меньшего значения и выходное напряжение восстановится.
Подстройка выходного напряжения универсального источника питания в небольших пределах осуществляется путем регулирования коэффициента передачи управляемого делителя напряжения 9. Для регулирования выходного напряжения универсального источника питания дискретно в широких пределах используются дополнительные ключи 3 и 7. Изменяя количество m одновременно коммутируемых ключей 3 и 7, можно обеспечить изменение выходного напряжения по требуемому закону с дискретностью, равной U.
Введение новых элементов и связей между ними обеспечивают решение поставленной задачи.
Источники информации
1. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. - Радио и связь, 1987.
2. Патент SU 2453030, Н02М 3/07, опубл. 10.06.2012 г., бюллетень №16.
3. Авторское свидетельство SU №1166242, Н02М 7/12, опубл. 07.07.1985 г., бюллетень №25.
4. Патент SU 2570569, Н02М 7/19, опубл. 10.12.2015 г., бюллетень №34.
Универсальный источник питания, содержащий n цепочек, состоящих из последовательно включенных ключей, конденсатора и соединенных с ним разноименными электродами двух диодов, источник напряжения питания постоянного тока, накопительный конденсатор, включенный параллельно выходу универсального источника питания, источник опорного напряжения и регулируемый делитель напряжения, соединенные по входам с выходом универсального источника питания, а по выходу с входами схемы сравнения, соединенной по выходу с входом блока управления, выходы которого подключены соответственно к входам управления управляемых ключей и регулируемого делителя напряжения, отличающийся тем, что введены дополнительные ключи, соединяющие общую точку ключа и конденсатора последующей ячейки с общей точкой диодов и конденсатора предшествующей ячейки, а в первой ячейке - с выводом источника напряжения питания постоянного тока, соединенного со свободными концами первых диодов всех ячеек, причем свободные концы вторых диодов всех ячеек соединены с выходом универсального источника питания.
