Импульсный регулятор постоянного напряжения

Импульсный регулятор постоянного напряжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания , а также в системах электропривода . Цель изобретения - повышение КПД и надежности. Устройство содержит три последовательные цепи, вклюЯ /5 ченные определенным образом между входньм, выходным и общим выводами для подключения источника постоянного напряжения 18 и нагрузки 21 соответственно. Последовательная цепь 1 включает ключевой элемент 2 и подключенный к нему через первую обмотку 3 многообмоточного токоограничивающего трансформатора 4 обратньй диод 8. Ключевой элемент 2 зашунтирован цепью из конденсатора 13 и диода 14. Вторая последова ельная цепь состоит из обмотки 10 трансформатора 4 и обмотки 11 дросселя 6 и соединена последовательно с первой цепью. Третья последовательная цепь, состоит из обмотки 16 трансформатора 4 и вспомогательного диода 15, подключенного к точке соединения конденсатора 13 с диодом 14. Свободные выводы ключевого элемента 2, обмоток 11 и 16 подключены соответственно к входному, выходному и общему выводам . В первую последовательную цепь включена вспомогательная обмотка 5 дросселя 6. Введение третьей последовательной цепи и указанное Учу;1 LAJ. I (С (Л z с со со ;о Фиг.1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (51) 4 Н 02 М 3/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н Д BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3903361/24-07 (22) 29.05.85 (46) 23.09,87. Бюл. № 35 (71) Чувашский государственный университет им. И,Н.Ульянова (72) Г.А.Белов, В.А.Баймулкин, В.И,Костылев и Е.Б,Шеин (53) 621.316.722(088.8) (56) Головацкий В.А. Транзисторные импульсные усилители и стабилизаторы постоянного напряжения. N.: Советское радио, 1974, с. 60-61, рис. 3.13.6.

Авторское свидетельство СССР № 1121754, кл. Н 02 М 3/135, 1985.

Авторское свидетельство СССР

¹ 783772, кл. G 05 F 1/56, 1981. (54) ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания, а также в системах электропривода. Цель изобретения — повьппение

КПД и надежности. Устройство содержит три последовательные цепи, включенные определенным образом между входным, выходным и общим выводами для подключения источника постоянного напряжения 18 и нагрузки 21 соответственно. Последовательная цепь 1 включает ключевой элемент 2 и подключенный к нему через первую обмотку 3 многообмоточного токоограничивающего трансформатора 4 обратный диод 8, Ключевой элемент 2 зашунтирован цепью из конденсатора 13 и диода 14. Вторая последовательная цепь состоит из обмотки 10 трансформатора 4 и обмотки 11 дросселя 6 и соединена последовательно с первой цепью. Третья последовательная цепь состоит из обмотки 16 трансформатора 4 и вспомогательного диода 15, подключенного к точке соединения конденсатора 13 с диодом 14. Свободные выводы ключевого элемента 2, обмоток

1! и !6 подключены соответственно к входному, выходному и общему выводам. В первую последовательную цепь включена вспомогательная обмотка 5 дросселя 6. Введение третьей последовательной цепи и указанное

1339799 включение вспомогательной обмотки 5 устраняют перенапряжения на ключевом элементе, обеспечивают рекуперацию энергии, накапливаемой в шунтирующем ключевой элемент конденсато— ре, в источник питания. При этом or

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, а также в системах электропривода, Цель изобретения — повышение КПД и надежности импульсного регулятора постоянного напряжения.

На фиг. 1 показана схема импульсного регулятора постоянного напряжения; на фиг. 2-6 — различные модификации схем регулятора; на фиг,7 временные диаграммы токов и напряжений в импульсном регуляторе.

Устройство содержит первые ветви

1, состоящие из ключевого элемента

2, первой обмотки 3 многообмоточного токоограничивающего трансформатора 4 и вспомогательной обмотки 5 дросселя 6, вторые ветви 7, образованные основным диодом 8, и третьи ветви 9, включающие в себя вторую обмотку 10 многообмоточного токоограничивающего трансформатора 4 и основную обмотку 11 дросселя 6. Вспо. могательный диод 12 подключен к точке соединения ключевого элемента 2 с обмоткой 5 дросселя 6. Шунтирующая последовательная цепь из конденсатора 13 и диода 14 присоединена параллельно ключевому элементу 2, а к общей точке соединения конденсатора 13 и диода 14 подключена последовательная цепь из дополнительного диода 15 и третьей обмотки 16 токоограничивающего трансформатора 4.

Дополнительный дроссель 17 может быть включен как в первую ветвь 1, так и во вторую ветвь 7.

Источник 18 питания (фиг. 1) подключен к выводу 19 первой ветви 1 и к выводу 20 второй ветви 7, а нагрузка 21 — к выводу 20 второй ветI)

40 раничение напряжения на ключевом элементе 2 может осуществляться на уровне напряжения источника питания, на уровне напряжения на нагрузке, а так" же на уровне суммы указанных напряжений. 7 ил. ви 7 и к выводу 22 третьей ветви 9.

На фиг. 2 источник 18 питания подключен к выводу 22 третьей ветви 9 и к выводу 19 первой ветви 1, а нагрузка 21 — к выводу 20 второй ветви

7 и к выводу !9 первой ветви 1. По схеме фиг, 3 источник 18 питания соединен с вьпзодом 19 первой ветви

1 и с выводом 22 третьей ветви 9 °

К этому же выводу подключена нагрузка 21, у которой второй зажим соединен с выводом 20 второй ветви 7. Нагрузка 21 может быть как активного, так и активно-емкостного характера.

В схемах по фиг, 4-6 содержатся также совершенно идентичные ветви, первыми выводами соединенные между собой и включающие в себя ключевой элемент 2, первую обмотку 3 токоограничивающего трансформатора 4 первая ветвь 1 с выводом 19; основной диод 8 и вспомогательная обмотка

5 дросселя 6 — вторая ветвь 7 с выводом 20; вторая обмотка 10 токоограничивающего трансформатора 4, основная обмотка 11 дросселя 6 — третья ветвь 9 с выводом 22, Аналогично первым трем схемам подключены конденсатор 13 и диод 14 шунтирующей последовательной цепи, дополнительные диод 15 и обмотка 16 токоограничивающего трансформатора 4, дополнительный дроссель 17.

Применение той или иной схемы определяется поставленной задачей при проектировании устройства, Так, если требуется импульсный регулятор понижающего типа, то необходимо применять схему, показанную на фиг. 1 или на фиг. 4 ° Если требуется повышающий импульсный регулятор, то используются схемы по фиг. 2 или 5.

Наконец, .для получения инвертированного напряжения требуются схемы им!

339799 пульсных регуляторов, показанные на фиг. 3 и на фиг. 6. Положительный эффект в предлагаемом импульсном ре— гуляторе постоянного напряжения при всех вариантах подключения источника питания и нагрузки достигается одними и теми же средствами — указанными подключениями, вспомогательного диода 12, вспомогательной обмотки

5 дросселя 6, дополнительного диода

15, третьей обмотки 16 токоограничивающего трансформатора 4, дополнительного ppoccL- 17.

Схемы по Лиг. 1 и 4, по фиг. 2 и 5, по фиг. 3 и 6 выполняют одинаковые функции, а с точки зрения повышения К1Щ и надежности они равноценны. Необходимость применения какой-либо схемы из соответствующей пары определяется только вторичными причинами — удобством конструктивного выполнения обмоток дросселя 6, местом расположения элементов на реальном макете и т.д.

Импульсный регулятор постоянного напряжения (фиг. 1) работает сле— дующим образом.

К моменту отпирания ключевого элемента 2 сердечник токоограничивающего трансформатора 4 размагничен, вспомогательный диод 12 закрыт, конденсатор 13 заряжен до напряжения источника 18 с полярностью, указанй в скобках, т.е. ЦЗ=Цп, а ток дросселя 6. протекает по цепи.: нагрузка 21 — основной диод 8 — вторая обмотка 10 токоограничивающего трансформатора 4 — основная обмотка 11 дросселя 6.

В момент времени t (фиг. 7) происходит включение ключевого элемента

2 и напряжение на нем П спадает до нуля. В течение времени рассасывания диод 8 остается в проводящем состоянии и к первой обмотке 3 трансформатора 4 прикладывается напряжение с полярностью, указанной на фиг. 1 без скобок. Начинается процесс намагничивания сердечника трансформатора 4, при этом из закона полного тока следует, что i и -i у =Н ° 1, где о ток ключевого элемента 2; ток дросселя 6; и, ы, - числа витков обмоток 3 и 10 трансформатора 4;

Н вЂ” напряженность магнитного поля;

1 — длина средней линии сердечника.

Следовательно, ток ключевого элемента 2 равен i =i@, /ы +Н 1/и и по отношению к току дросселя ц, т.е. фактически к току нагрузки, может быть выбран на любом требуемом уровне.

Таким образом, трансформатор 4 эффективно ограничивает величину тока через ключевой элемент 2 и полностью устраняет выбросы сквозного тока.

Очевидно, что ток через ключевой элемент i должен превышать ток дроссе2 ля i<, только при этом условии через диод 8 протекает обратный ток и он начинает запираться. Для этого необходимо, чтобы число витков обмотки 10 трансформатора 4 либо превышало число витков обмотки 3, либо было равно ему. В последнем случае диод 8 запирается только током намагничивания обмотки 3, равным H 1/и, Вспомогательный 12 и дополнительнйй 15

20 диоды продолжают оставаться в выключенном состоянии (полярность напряжения без скобок на третьей обмотке

16 трансформатора 4), а в индуктивности намагничивания трансформатора

4 накапливается энергия.

В момент времени t, процесс запирания основного диода 8 заканчивается и ток через него спадает до нуля. Сердечник трансформатора 4 оказывается под действием намагничи30 вающих сил двух встречно включенных обмоток 3 и 10 по которым протекает ток i дросселя 6. Поскольку число витков обмотки 10 превьппает число витков обмотки 3 или, по крайней ме35

55 ре, равно ему, то происходит разряд индуктивности намагничивания трансформатора 4 и напряжения на его обмотках меняют свой знак (полярность в скобках). Под действием этого напряжения отпирается диод 15, по которому протекает ток, разряжающий конденсатор 13 до нуля. Из схемы на фиг. 1 видно, что этот ток протекает только через источник 18 питания и поэтому разряд конденсатора 13 не вызывает какого-либо увеличения тока через ключевой элемент 2, Если напряжение на конденсаторе 13 уменьшит-. ся до нуля до того, как разрядится индуктивность намагничивания трансформатора 4, то откроется диод 14 и произойдет рекуперация остатка энергии в нагрузку ?1, при этом ток через ключевой элемент 2 даже уменьшится.

Процесс разряда индуктивности намагничивания заканчивается. В дальнейшем диоды 8, 12, 14, .15 закрыты, а ток дросселя 6 протекает от источника 18 питания через ключевой элемент

39799

40

50

5 l3

2, вспомогательную обмотку 5 дросселя 6, через обмотки 9 и IО трансформатора 4.

В момент времени t, ключевой элеь мент 2 под действием управляющего сигнала запирается и ток через него спадает до нуля. Ток дросселя 6 открывает диод 14 и начинается процесс заряда конденсатора 13 с полярностью, . указанной на фиг. 1 в скобках. В момент времени t4 напряжение на конденсаторе 13 достигает величины напряжения источника 18 питания, открывается вспомогательный диод 12 и основной диод 8. Ток дросселя 6 замыкается по цепи: нагрузка 21 — вспомогательный диод 12 — дополнительный дроссель 17 (если этот дроссель включен в первой ветви 1) — вспомогательная обмотка S дросселя 6 — обмотки

3 и 10 трансформатора 4. При этом напряжения на обмотках Il и 5 дросселя 6 меняют свой знак (полярность напряжения на фиг. 1 показана в скобках). Ток дросселя 6 в первый момент не может протекать через основной диод 8, так как если дополнительный дроссель 17 включен в первой ветви

1, то ток этого дросселя должен уменьшаться до нуля, или если дроссель 17 включен в цепи основного диода 8 во второй ветви, ток в этом дросселе должен нарасти до тока дросселя 6. Под действием напряжения на обмотке 5 дросселя 6 ток в дополнительном дросселе 17 начинает уменьшаться, когда этот дроссель в цепи

I, или увеличиваться, когда дроссель

17 в цепи 7, При этом ток через диод 8 нарастает примерно по. линейному закону, а через диод 12 таким же образом убывает.

В момент времени t ток через вспомогательный диод 12 достигает нуля и он запирается напряжением на вспомогательной обмотке 5 дросселя

6. До момента отпирания ключевого элемента 2 ток дросселя 6 замыкается по цепи: нагрузка 21 — диод 8 — дроссель 17 (если этот дроссель включен в цепи основного диода 8) — обмотка

10 трансформатора 4. Сердечник трансформатора 4 при этом поддерживается в размагниченном состоянии. В момент времени t ключевой элемент 2 отпирается и далее процессы в схеме повторяются.

Процессы в схемах регуляторов по фиг, 2 и 3 принципиально не отличаются от процессов в регуляторе по фиг. 1. Конденсатор 13 в регуляторе по фиг. 2 заряжается до величины напряжения на нагрузке 21, а в регуляторе по фиг. 3 — до суммарной величины напряжений источника питания

18 и нагрузки 21.

В устройстве по фиг. 4 процессы в схеме полностью аналогичны процессам в схеме регулятора по фиг, 1, которым соответствуют временные диаграммы на фиг. 7. Также аналогичны процессы в схемах устройств по фиг. 5 и

6 процессам в схемах по фиг. 2 и 3 соответственно, Таким образом, в предложенном импульсном регуляторе постоянного напряжения, устраняются перенапряжения на ключевом элементе, обеспечивается рекуперация энергии, накапливаемой в шунтирующем ключевой элемент конденсаторе, в источник питания. Все это позволяет повысить КПД и надежность импульсного регулятора постоянного напряжения.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Импульсный регулятор постоянного напряжения, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения источника постоянного напряжения и нагрузки, соответственно ключевой элемент, ззшунтированный соединенными последовательно конденсатором и вспомогательным диодом, обратный диод, дроссель с основной и вспомогательной обмотками и многообмоточный токоограничивающий трансформатор, причем ключевой элемент и подключен— ный к нему через первую обмотку многообмоточного токоограничивающего трансформатора обратный диод образуют первую последовательную цепь, вторая последовательная цепь, образованная второй обмоткой многообмоточного токоограничивающего трансформатора и основной обмоткой дросселя, подключена первым выводом к первой последовательной цепи в точке соединения первой обмотки многообмоточного токоограничивающего трансформатора и обратного диода, первый вывод первой последовательной цепи, образованный электродом ключевого элемента и выводом конденсатора, не соединенным со вспомогательным диодом, присоединен к входному выводу, участок цепи между вторыми выводами первой и вто7 1ЗЗ9 рой последовательных цепей подключен, между общим выводом и выходным выводом, отличающийся тем, что, с целью повьппения КПД и надежности, дополнительно введена третья последовательная цепь из разрядного диода и третьей обмотки мно99 8 гообмоточного токоограничивающего трансформатора, подключенная между общей точкой соединения конденсатора и вспомогательного диода и общим выводом, а вспомогательная обмотка дросселя включена последовательно в первую последовательную цепь, ! 339799

|

I !

1t, tt tt tg

Рию. 7

Составитель Т.Добровольскис

Техред М.Ходанич

Корректор С.Шекмар

Редактор С.Патрушева

Заказ 4240/51

Тираж 659 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035„ Москва, Ж-35, Раушская наб., p,. 4/5 Производственно †полиграфическ предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4