RU2585278C1

RU2585278C1 - Voltage converter

Info

Publication number: RU2585278C1
Application number: RU2015101475/07A
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Глухов; Сергей Олегович Румянцев; Роман Николаевич Садовников; Алексей Вениаминович Васильев; Дмитрий Иванович Лукоянов; Дмитрий Андреевич Кожевников; Иван Юрьевич Кулагин
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2016-05-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to the conversion and distribution of electric power and can be used to power the gas discharge counters. This technical result is achieved by the introduction of a voltage converter amplifier current of timing RC-circuit, an additional transistor switch and the locking of the diode. Zener unlike the prototype device is not connected to the output capacitance and to the output winding of the transformer. If the device prototype pause in the blocking oscillator determines the threshold current of the zener diode and is not more than 1 second, then the claimed invention is defined by a pause of timing RC-circuit and can reach several tens of seconds. Comparative evaluation showed that at low load currents current consumption decreased by order and amounted to 1.0 mcA. Claimed invention can be used in dosimetry equipment for high voltage used in the gas-discharge Geiger-Muller.

EFFECT: technical result achieved in the claimed invention is to reduce the input current of the voltage converter in the absence of external load.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области преобразования и распределения электроэнергии, в частности к преобразователям постоянного низкого напряжения в постоянное высокое напряжение, и может быть использовано в дозиметрической аппаратуре.The invention relates to the field of conversion and distribution of electricity, in particular to converters of constant low voltage to constant high voltage, and can be used in dosimetric equipment.

Известен преобразователь напряжения, используемый в приборе ДКС-04, который содержит блокинг-генератор, умножитель напряжения и схему управления [1]. Преобразователь может работать в двух режимах мощности. При отсутствии излучения, т.е. без нагрузки, данный преобразователь работает на пониженной частоте, а при воздействии излучения - на повышенной.Known voltage converter used in the device DKS-04, which contains a blocking generator, voltage multiplier and control circuit [1]. The converter can operate in two power modes. In the absence of radiation, i.e. without load, this converter operates at a lower frequency, and when exposed to radiation - at an increased frequency.

К недостаткам этого устройства относится следующее. Ток, потребляемый преобразователем без нагрузки, составляет около 1 мА, что существенно снижает его коэффициент полезного действия (КПД). При наличии нагрузки, вызываемой воздействием излучения, КПД преобразователя также низкий, так как после каждого срабатывания газоразрядного счетчика преобразователь работает на полную мощность в течение 60 мс и за это время потребляет энергии от батареи гораздо больше, чем расходуется газоразрядным счетчиком при одном срабатывании.The disadvantages of this device include the following. The current consumed by the converter without load is about 1 mA, which significantly reduces its efficiency (efficiency). When there is a load caused by radiation, the efficiency of the converter is also low, because after each actuation of the gas-discharge meter, the converter operates at full power for 60 ms and during this time consumes much more battery power than the gas-discharge meter consumes in one operation.

Известен также преобразователь напряжения, используемый в приборе ИМД-1, который содержит блокинг-генератор, умножитель напряжения, стабилитрон, усилитель тока и управляющий транзистор [2].Also known is a voltage converter used in the IMD-1 device, which contains a blocking generator, a voltage multiplier, a zener diode, a current amplifier and a control transistor [2].

Недостатком этого устройства является то, что мощность, рассеиваемая на постоянно открытом стабилитроне, уменьшает КПД преобразователя, особенно при малых полезных токах нагрузки.The disadvantage of this device is that the power dissipated on a constantly open zener diode reduces the efficiency of the converter, especially at low useful load currents.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является преобразователь напряжения, описанный в патенте RU №2457601, который содержит блокинг-генератор, диодный выпрямитель напряжения, стабилитрон, два транзисторных ключа, охваченных положительной обратной связью, и резистор положительного смещения.Closest to the proposed invention is the voltage converter described in patent RU No. 2457601, which contains a blocking generator, a diode voltage rectifier, a zener diode, two transistor switches covered by positive feedback, and a positive bias resistor.

Принципиальная электрическая схема устройства-прототипа показана на фигуре 1.Schematic diagram of the prototype device shown in figure 1.

Недостатком устройства-прототипа является то, что во время паузы блокинг-генератора через стабилитрон течет некоторый ток, который обуславливает отрицательное смещение на транзисторных ключах и тем самым поддерживает выключенное состояние блокинг-генератора. Ввиду того, что напряжение на стабилитроне составляет величину порядка 400 вольт, результирующая электрическая мощность, рассеиваемая на стабилитроне уменьшает КПД преобразователя.The disadvantage of the prototype device is that during a pause of the blocking generator, a certain current flows through the zener diode, which causes a negative bias on the transistor switches and thereby maintains the blocking generator off. Due to the fact that the voltage on the zener diode is about 400 volts, the resulting electrical power dissipated on the zener diode reduces the efficiency of the converter.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в увеличении КПД преобразователя напряжения.The technical result achieved in the claimed invention is to increase the efficiency of the voltage Converter.

Указанный технический результат достигается тем, что в преобразователь напряжения, содержащий блокинг-генератор на силовом транзисторе и трансформаторе с первичной, управляющей и выходной обмотками, два транзисторных ключа, стабилитрон с ограничительным резистором, выпрямительный диод, выходную емкость, резистор прямого смещения, введены усилитель тока на транзисторе, времязадающая цепь, состоящая из резистора и конденсатора, введены третий транзисторный ключ и запирающий диод, причем стабилитрон с ограничительным резистором включены между выходной обмоткой трансформатора и базой усилителя тока, эмиттер которого соединен с шиной питания, времязадающий конденсатор включен между шиной питания и коллектором усилителя тока, времязадающий резистор включен между времязадающим конденсатором и базой третьего ключа, эмиттер которого соединен с общей шиной, а коллектор - с базой второго ключа, запирающий диод включен между управляющей обмоткой и базой второго ключа.The specified technical result is achieved in that a voltage converter containing a blocking generator on a power transistor and a transformer with primary, control and output windings, two transistor switches, a zener diode with a limiting resistor, a rectifier diode, an output capacitor, a forward bias resistor, a current amplifier is introduced on a transistor, a timing circuit consisting of a resistor and a capacitor, a third transistor switch and a locking diode are introduced, and a zener diode with a limiting resistor between the output winding of the transformer and the base of the current amplifier, the emitter of which is connected to the power bus, a timing capacitor is connected between the power bus and the collector of the current amplifier, the timing resistor is connected between the timing capacitor and the base of the third key, the emitter of which is connected to the common bus, and the collector with the base of the second key, a locking diode is connected between the control winding and the base of the second key.

Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 2 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя напряжения.The invention is illustrated in the drawing, where figure 2 shows a circuit diagram of the proposed voltage Converter.

Преобразователь напряжения состоит из блокинг-генератора, собранного на силовом транзисторе 1 и трансформаторе 2 с первичной, управляющей и выходной обмотками, первого транзисторного ключа 3 с коллекторным резистором 4, второго транзисторного ключа 5 с коллекторным резистором 6, резистора положительной обратной связи 7, резистора прямого смещения 8, выпрямительного диода 9, выходного конденсатора 10, стабилитрона 11 с ограничительным резистором 12, усилителя тока 13, времязадающей цепи, содержащей конденсатор 14 и резистор 15, третьего транзисторного ключа 16 и запирающего диода 17.The voltage converter consists of a blocking generator assembled on a power transistor 1 and a transformer 2 with primary, control and output windings, a first transistor switch 3 with a collector resistor 4, a second transistor switch 5 with a collector resistor 6, a positive feedback resistor 7, a direct resistor bias 8, a rectifier diode 9, an output capacitor 10, a zener diode 11 with a limiting resistor 12, a current amplifier 13, a timing circuit containing a capacitor 14 and a resistor 15, of the third transistor Foot switch diode 16 and the latch 17.

Преобразователь напряжения работает следующим образом. При включении питания все транзисторы схемы находятся в режиме отсечки. На базу транзисторного ключа 5 подается малый открывающий ток через большое сопротивление резистора прямого смещения 8 (порядка 100 МОм). Усиленный коллекторный ток транзисторного ключа 5 через резистор 6 поступает на базу транзисторного ключа 3 и частично его приоткрывает. Величина коллекторного тока транзисторного ключа 3 вначале недостаточна для возбуждения блокинг-генератора, однако создает некоторое падение напряжения на резисторе 4, которое через резистор положительной обратной связи 7 увеличивает прямое смещение на базе транзисторного ключа 5, в результате чего базовый, а следовательно и коллекторный токи последнего увеличиваются. Это приводит к дальнейшему открыванию транзисторного ключа 3, и далее процесс происходит лавинообразно до полного открывания транзисторных ключей 3 и 5.The voltage Converter operates as follows. When you turn on the power, all transistors in the circuit are in cut-off mode. A small opening current is supplied to the base of the transistor switch 5 through a large resistance of the forward bias resistor 8 (of the order of 100 MOhm). The amplified collector current of the transistor switch 5 through the resistor 6 enters the base of the transistor switch 3 and partially opens it. The collector current of the transistor switch 3 is initially insufficient to excite the blocking generator, however, it creates a voltage drop across the resistor 4, which, through the positive feedback resistor 7, increases the forward bias on the basis of the transistor switch 5, as a result of which the base, and therefore the collector, currents of the latter are increasing. This leads to further opening of the transistor switch 3, and then the process occurs in an avalanche-like manner until the transistor switches 3 and 5 are fully opened.

Блокинг-генератор возбуждается, и высоковольтный импульс с выходной обмотки трансформатора через диод 9 передает порцию электрического заряда на выходной конденсатор 10.The blocking generator is excited, and the high-voltage pulse from the output winding of the transformer through the diode 9 transmits a portion of the electric charge to the output capacitor 10.

Одновременно с этим отрицательный импульс с управляющей обмотки трансформатора переводит транзисторные ключи 3 и 5 в режим отсечки, и блокинг-генератор выключается. После того, когда цепи всей схемы будут обесточены, через резистор 8 подается положительное смещение на базу транзисторного ключа 5, который постепенно открывается сам и открывает транзисторный ключ 3. Благодаря положительной обратной связи через резисторы 6 и 7 процесс открывания в завершающей стадии имеет лавинообразный характер. Блокинг-генератор повторно запускается и заряжает конденсатор 10 новой порцией заряда. Процесс повторяется до тех пор, пока напряжение на ней не достигнет уровня открывания стабилитрона 11, после чего очередной выходной импульс блокинг-генератора открывает стабилитрон 11 и импульс тока через резистор 12 проходит на базу усилителя тока 13. Коллекторный ток последнего заряжает конденсатор 14 до напряжения, обуславливающего открывание транзисторного ключа 16 током в базу через резистор 15. Открытый транзисторный ключ 16 шунтирует резистор прямого смещения 8 и тем самым удерживает транзисторные ключи 3 и 5 в режиме отсечки, а блокинг-генератор в выключенном состоянии. Длительность такого состояния (паузы) будет определяться постоянной времени RC-цепи, образованной резистором 15 и конденсатором 14, а также величиной начального заряда или напряжения на конденсаторе 14. После разряда RC-цепи (14, 15) транзисторный ключ 16 закрывается, на базу транзисторного ключа 5 подается положительное смещение через резистор 8, транзисторные ключи 3 и 5 открываются и блокинг-генератор вновь запускается.At the same time, a negative pulse from the control winding of the transformer puts the transistor switches 3 and 5 into cutoff mode, and the blocking generator is turned off. After the circuits of the entire circuit are de-energized, a positive bias is applied to the base of the transistor switch 5 through the resistor 8, which gradually opens itself and opens the transistor switch 3. Due to the positive feedback through the resistors 6 and 7, the opening process in the final stage has an avalanche-like character. The blocking generator restarts and charges capacitor 10 with a new portion of charge. The process is repeated until the voltage on it reaches the opening level of the zener diode 11, after which the next output pulse of the blocking generator opens the zener diode 11 and the current pulse passes through the resistor 12 to the base of the current amplifier 13. The collector current of the latter charges the capacitor 14 to a voltage, causing the transistor switch 16 to be opened by current to the base through the resistor 15. The open transistor switch 16 shunts the forward bias resistor 8 and thereby holds the transistor switches 3 and 5 in the cutoff mode, and blocking the generator is off. The duration of this state (pause) will be determined by the time constant of the RC circuit formed by the resistor 15 and capacitor 14, as well as the magnitude of the initial charge or voltage across the capacitor 14. After the discharge of the RC circuit (14, 15), the transistor switch 16 closes to the base of the transistor of key 5, a positive bias is applied through resistor 8, transistor switches 3 and 5 open and the blocking generator starts again.

После срабатывания блокинг-генератора все управляющие цепи закрываются, времязадающий конденсатор 14 заряжается, и наступает очередная пауза в работе блокинг-генератора. Таким образом, напряжение на выходной клемме поддерживается на уровне открывания стабилитрона 11. Элементы схемы подобраны так, что если конденсатор 10 не разряжается во внешнюю цепь, то пауза в работе блокинг-генератора составляет несколько десятков секунд. При наличии некоторой внешней нагрузки выходной конденсатор 10 во время паузы разрядится на некоторую величину, очередной импульс блокинг-генератора будет иметь меньшую амплитуду и заряд конденсатора 14 пройдет также до меньшего напряжения. Это приведет к тому, что пауза, задаваемая RC-цепью (14, 15), будет сокращена и блокинг-генератор включится быстрее. В результате более высокая частота срабатывания блокинг-генератора будет компенсировать разряд конденсатора 10 и напряжение на нем будет сохраняться практически на одном уровне.After the blocking generator is activated, all control circuits are closed, the time-consuming capacitor 14 is charged, and the next pause in the operation of the blocking generator occurs. Thus, the voltage at the output terminal is maintained at the opening level of the zener diode 11. The circuit elements are selected so that if the capacitor 10 is not discharged into an external circuit, then the pause in the operation of the blocking generator is several tens of seconds. If there is some external load, the output capacitor 10 will be discharged by a certain amount during a pause, the next pulse of the blocking generator will have a lower amplitude and the charge of the capacitor 14 will also pass to a lower voltage. This will lead to the fact that the pause set by the RC circuit (14, 15) will be shortened and the blocking generator will turn on faster. As a result, a higher response frequency of the blocking generator will compensate for the discharge of the capacitor 10 and the voltage on it will remain almost at the same level.

В результате такой работы схемы напряжение на выходе устройства пульсирует около уровня открывания стабилитрона. При увеличении тока внешней нагрузки частота срабатывания блокинг-генератора соответственно увеличивается.As a result of this operation of the circuit, the voltage at the output of the device pulsates near the opening level of the zener diode. With an increase in the external load current, the response frequency of the blocking generator increases accordingly.

Предложенный преобразователь напряжения по сравнению с прототипом потребляет меньший ток. Это объясняется следующим.The proposed voltage Converter in comparison with the prototype consumes less current. This is explained by the following.

В устройстве-прототипе стабилитрон находится в постоянно открытом состоянии, и ток, протекающий через него, должен быть достаточен для поддержания обратного смещения на базе второго ключа, что составляет доли микроампер, но так как этот ток вызван большим выходным напряжением, то результирующая мощность, рассеиваемая стабилитроном, приводит к потребляемому току батареи в десятки микроампер. В результате этого при использовании устройства-прототипа в переносной дозиметрической аппаратуре он потребляет существенный ток даже в отсутствие радиоактивного излучения и значительно сокращает ресурс работы приборов с одним комплектом батарей.In the prototype device, the zener diode is in a constantly open state, and the current flowing through it must be sufficient to maintain reverse bias on the basis of the second key, which is a fraction of microamps, but since this current is caused by a large output voltage, the resulting power dissipated zener diode, leads to a battery current of tens of microamps. As a result of this, when using the prototype device in portable dosimetric equipment, it consumes significant current even in the absence of radioactive radiation and significantly reduces the life of devices with one set of batteries.

В предлагаемом преобразователе напряжения стабилитрон во время паузы полностью обесточен, а сама пауза во много раз увеличена по сравнению с устройством-прототипом благодаря введенной времязадающей RC-цепи.In the proposed voltage converter, the zener diode during a pause is completely de-energized, and the pause itself is many times increased in comparison with the prototype device due to the introduced RC timing circuit.

В результате проведенных испытаний установлено, что потребляемый предлагаемым преобразователем ток в отсутствие нагрузки составляет около 1,0 мкА и его использование для питания газоразрядных счетчиков Гейгера-Мюллера дает возможность обеспечить режим непрерывной работы дозиметра в течение многих месяцев от одного комплекта химических источников тока.As a result of the tests, it was found that the current consumed by the proposed converter in the absence of a load is about 1.0 μA and its use to power Geiger-Muller gas-discharge counters makes it possible to ensure a continuous operation of the dosimeter for many months from one set of chemical current sources.

Источники информацииInformation sources

1. Дозиметр ДКС-04. Паспорт. ЖШ2.805.395 ПС - 1988 г.1. Dosimeter DKS-04. Passport. ZhSh2.805.395 PS - 1988

2. Измеритель мощности дозы ИМД-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ЖШ1.289.199 ТО - 1982 г.2. Meter dose rate IMD-1. Technical description and instruction manual. ZhSh1.289.199 TO - 1982

3. Патент на изобретение RU №2457601 от 14 февраля 2011 года.3. Patent for invention RU No. 2457601 of February 14, 2011.

Claims

A voltage converter comprising a blocking generator on a power transistor and a transformer with primary, control and output windings, two transistor switches, a zener diode with a limiting resistor, a rectifier diode, an output capacitor, a forward bias resistor, characterized in that a current amplifier on the transistor is inserted into it , a timing circuit consisting of a resistor and a capacitor, a third transistor switch and a locking diode are introduced, and a zener diode with a limiting resistor is connected between the output coil a transformer and the base of the current amplifier, the emitter of which is connected to the power bus, the time-varying capacitor is connected between the power bus and the collector of the current amplifier, the time-of-time resistor is connected between the time-capacitor and the base of the third key, the emitter of which is connected to the common bus, and the collector with the base of the second key , a locking diode is connected between the base of the power transistor and the base of the second key.