RU2854704C1 - Источник напряжения постоянного тока - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электротехнике и предназначается для использования в системах электроснабжения в качестве источника напряжения постоянного тока. Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению качества стабилизации выходного напряжения при одновременном повышении надежности. Источник напряжения постоянного тока содержит: управляющий дроссель с рабочей обмоткой WP и обмоткой управления WУ; трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП), магнитная система которого содержит сердечник с вторичной обмоткой и тороидальную часть магнитопровода с двумя первичными обмотками, расположенными в пространстве относительно друг друга под углом 90°; фазосдвигающий конденсатор; выпрямитель; фильтр; систему стабилизации напряжения; блок питания узла коммутации; узел коммутации; входные выводы для подключения источника питания переменного тока; выходные выводы источника напряжения постоянного тока, при этом: блок питания узла коммутации содержит разделительный конденсатор, трансформатор, выпрямительный диод, фильтрующий конденсатор, балластный резистор, первый и второй стабилитроны; узел коммутации содержит фототранзистор, входящий в состав оптрона, представляющего собой оптопару по типу светодиод-фототранзистор, МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа, резистор; система стабилизации напряжения содержит делитель напряжения, формирователь импульсов, генератор пилообразного напряжения, светодиод, входящий в состав оптрона, представляющего собой оптопару по типу светодиод-фототранзистор. 4 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике и предназначается для использования в системах электроснабжения в качестве источника напряжения постоянного тока.

Уровень техники

Известен стабилизированный источник напряжения постоянного тока (патент RU №2198420, МПК G05F 1/46, H02M 7/21) содержащий: трансформатор с вращающимся магнитным полем, магнитная система которого содержит тороидальный магнитопровод с сердечником, при этом первая и вторая первичные обмотки трансформатора расположены на тороидальном магнитопроводе и смещены в пространстве на угол 90° относительно друг друга, а вторичная обмотка расположена на сердечнике; фазосдвигающий конденсатор; выпрямитель; фильтр; узел коммутации, состоящий из двух биполярных встречно-параллельно включенных транзисторов; систему стабилизации, содержащую делитель напряжения, формирователь импульсов, генератор пилообразного напряжения, датчик полярности напряжения, первый и второй логические элементы 2-И, первый и второй усилители импульсов; два входных и два выходных зажима.

Недостатком стабилизированного источника напряжения постоянного тока является относительно низкая надежность работы узла коммутации и системы стабилизации.

Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является источник напряжения постоянного тока (патент RU №2274891, МПК G05F 1/46).

Источник напряжения постоянного тока, содержит: управляющий дроссель с рабочей обмоткой и обмоткой управления; трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП), магнитная система которого содержит сердечник с вторичной обмоткой и тороидальную часть магнитопровода с двумя первичными обмотками, расположенными в пространстве относительно друг друга под углом 90°, начала которых соединены через фазосдвигающий конденсатор; выпрямитель; фильтр; биполярный транзистор p-n-p-типа; систему стабилизации напряжения содержащую делитель напряжения, генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов, усилитель импульсов; входные выводы для подключения источника питания переменного тока; выходные выводы источника напряжения постоянного тока, причем: начало рабочей обмотки управляющего дросселя соединено со вторым входным выводом для подключения источника питания переменного тока, а ее конец соединен с концами первой и второй первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем; начало обмотки управления управляющего дросселя соединено со вторым выходным выводом источника напряжения постоянного тока, а ее конец, через коллекторно-эмиттерный переход биполярного транзистора p-n-p-типа, соединен с первым выходным выводом источника напряжения постоянного тока; начало первой первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем соединено с первым выводом для подключения источника питания переменного тока и первым выводом фазосдвигающего конденсатора, второй вывод которого соединен с началом второй первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем; вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами источника напряжения постоянного тока; первый вход делителя напряжения, служащий четвертым выводом системы стабилизации напряжения, соединен с первым выходным выводом источника напряжения постоянного тока, второй вход делителя напряжения, служащий третьим выводом системы стабилизации напряжения, соединен со вторым выходным выводом источника напряжения постоянного тока, выход делителя напряжения соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, входы которого служат первым и вторым выводами системы стабилизации напряжения, соединенные, соответственно, со вторым и первым выводами для подключения источника питания переменного тока, выход формирователя импульсов соединен с входом усилителя импульсов, а его выходы соединены с управляющими входами транзистора.

Недостатками данного устройства являются низкое качество стабилизации выходного напряжения при одновременно низкой надежности.

Низкое качество стабилизации выходного напряжения обусловлено подключением обмотки управления управляющего дросселя к выходной цепи источника напряжения постоянного тока. Ток обмотки управления служит дополнительным дестабилизирующим фактором нагрузки.

Низкая надежность обусловлена использованием в цепи питания обмотки управления управляющего дросселя биполярного транзистора, прибора, управляемого током, собственное энергопотребление которого, а значит, и тепловой режим напрямую связан с величиной коммутируемого тока.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению качества стабилизации выходного напряжения при одновременном повышении надежности.

Технический результат достигается тем, что в источник напряжения постоянного тока, содержащий: трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП), магнитная система которого содержит сердечник с вторичной обмоткой и тороидальную часть магнитопровода с двумя первичными обмотками, расположенными в пространстве относительно друг друга под углом 90°, начала которых соединены через фазосдвигающий конденсатор; управляющий дроссель с рабочей обмоткой и обмоткой управления; выпрямитель; фильтр; систему стабилизации напряжения содержащую делитель напряжения, генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов; входные выводы для подключения источника питания переменного тока; выходные выводы источника напряжения постоянного тока, причем: начало рабочей обмотки управляющего дросселя соединено со вторым входным выводом для подключения источника питания переменного тока, а ее конец соединен с концами первой и второй первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем; начало первой первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем соединено с первым выводом для подключения источника питания переменного тока и первым выводом фазосдвигающего конденсатора, второй вывод которого соединен с началом второй первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем; вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами источника напряжения постоянного тока; первый вход делителя напряжения, служащий четвертым выводом системы стабилизации напряжения, соединен с первым выходным выводом источника напряжения постоянного тока, второй вход делителя напряжения, служащий третьим выводом системы стабилизации напряжения, соединен со вторым выходным выводом источника напряжения постоянного тока, выход делителя напряжения соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, входы которого служат первым и вторым выводами системы стабилизации напряжения, соединенные, соответственно, со вторым и первым входными выводами для подключения источника питания переменного тока, введены: блок питания узла коммутации содержащий разделительный конденсатор, трансформатор, выпрямительный диод, фильтрующий конденсатор, балластный резистор, первый и второй стабилитроны, причем первый вывод разделительного конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, и второй вывод первичной обмотки трансформатора, служат первым и вторым выводами блока питания узла коммутации, соединенные с первым и вторым выводами для подключения источника питания переменного тока, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого соединен с первым выводом фильтрующего конденсатора и первым выводом балластного резистора, второй вывод которого соединен с катодом первого стабилитрона и пятым выводом блока питания узла коммутации, подключенного к началу обмотки управления управляющего дросселя, анод первого стабилитрона соединен с катодом второго стабилитрона и четвертым выводом блока питания узла коммутации, анод второго стабилитрона соединен со вторым выводом фильтрующего конденсатора, вторым выводом вторичной обмотки трансформатора и третьим выводом блока питания узла коммутации; узел коммутации содержащий фототранзистор входящий в состав оптрона, представляющего собой оптопару по типу светодиод-фототранзистор, МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа, резистор, причем коллектор фототранзистора, служащий первым выводом узла коммутации, соединен с четвертым выводом блока питания узла коммутации, эмиттер фототранзистора соединен с первым выводом резистора и затвором транзистора с индуцированным каналом n-типа, исток которого, а также второй вывод резистора, служат вторым выводом узла коммутации, соединенный с третьим выводом блока питания узла коммутации, сток МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа, служащий третьим выводом узла коммутации, соединен с концом обмотки управления управляющего дросселя; в состав системы стабилизации напряжения - светодиод входящий в состав оптрона, представляющего собой оптопару по типу светодиод-фототранзистор и служащий нагрузкой формирователя импульсов.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена функциональная схема источника напряжения постоянного тока.

На фиг.2 представлены диаграммы напряжений, поясняющие работу системы стабилизации напряжения.

На фиг.3 представлена схемотехническая модель блока питания узла коммутации, узла коммутации и системы стабилизации напряжения источника напряжения постоянного тока с нанесенными контрольными точками.

На фиг.4 представлены диаграммы напряжений в контрольных точках схемотехнической модели.

Осуществление изобретения

Источник напряжения постоянного тока (фиг. 1) содержит: управляющий дроссель 1 с рабочей обмоткой W_P и обмоткой управления W_У; трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП) 2, магнитная система которого содержит сердечник 3 с вторичной обмоткой 4 и тороидальную часть магнитопровода 5 с двумя первичными обмотками 6 и 7, расположенными в пространстве относительно друг друга под углом 90°, начала которых соединены через фазосдвигающий конденсатор 8; выпрямитель 9; фильтр 10; систему стабилизации напряжения 11; блок питания узла коммутации 16; узел коммутации 24; входные выводы 27, 28 для подключения источника питания переменного тока; выходные выводы 29, 30 источника напряжения постоянного тока, причем: начало рабочей обмотки W_P управляющего дросселя 1 соединено с входным выводом 28, а ее конец соединен с концами первичных обмоток 6 и 7 ТВМП 2; начало первичной обмотки 6 ТВМП 2 соединено с входным выводом 27 и первым выводом фазосдвигающего конденсатора 8, второй вывод которого соединен с началом первичной обмотки 7 ТВМП 2; вторичная обмотка 4 ТВМП 2 через выпрямитель 9 и фильтр 10 соединена с выходными выводами 29, 30 и, соответственно, с четвертым и третьим выводами системы стабилизации напряжения 11, первый и второй выводы которой соединены, соответственно, со вторым и первым выводами узла коммутации 16 и входными выводами 28, 27; пятый вывод блока питания узла коммутации 16 и третий вывод узла коммутации 24 соединены, соответственно, с началом и концом обмотки управления W_У управляющего дросселя 1; четвертый и третий выводы блока питания узла коммутации 16 соединены, соответственно, с первым и вторым выводами узла коммутации 24.

Система стабилизации напряжения 11 содержит: делитель напряжения 12; формирователь импульсов 13; генератор пилообразного напряжения 14; светодиод 15.1, входящий в состав оптрона 15, представляющего собой оптопару по типу светодиод-фототранзистор, причем выход делителя напряжения 12, первый и второй входы которого служат, соответственно, четвертым и третьим выводами системы стабилизации напряжения 11, соединен с первым входом формирователя импульсов 13, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 14, входы которого служат первым и вторым выводами системы стабилизации напряжения 11; нагрузкой формирователя импульсов 13 служит фотодиод 15.1, входящий в состав оптрона 15.

Блок питания узла коммутации 16 содержит: разделительный конденсатор 17; трансформатор 18; выпрямительный диод 19; фильтрующий конденсатор 20; балластный резистор 21; стабилитроны 22, 23, причем первый вывод разделительного конденсатора 17, второй вывод которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора 18, и второй вывод первичной обмотки трансформатора 18, служат первым и вторым выводами блока питания узла коммутации 16; первый вывод вторичной обмотки трансформатора 18 соединен с анодом выпрямительного диода 19, катод которого соединен с первым выводом фильтрующего конденсатора 20 и первым выводом балластного резистора 21, второй вывод которого соединен с катодом стабилитрона 22 и пятым выводом блока питания узла коммутации 16; анод стабилитрона 22 соединен с катодом стабилитрона 23 и четвертым выводом блока питания узла коммутации 16, анод стабилитрона 23 соединен со вторым выводом фильтрующего конденсатора 20, вторым выводом вторичной обмотки трансформатора 18 и третьим выводом блока питания узла коммутации 16.

Узел коммутации 24 содержит: фототранзистор 15.2 входящий в состав оптрона 15, представляющего собой оптопару по типу светодиод-фототранзистор; МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа 25; резистор 26, причем коллектор фототранзистора 15.2, служит первым выводом узла коммутации 24, эмиттер фототранзистора 15.2 соединен с первым выводом резистора 26 и затвором МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа 25, исток которого, а также второй вывод резистора 26, служат вторым выводом узла коммутации 24, сток МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа 25 служит третьим выводом узла коммутации 24.

Фактически, блок питания узла коммутации 16 является параметрическим стабилизатором напряжения повышенного (вывод пятый) и пониженного (вывод четвертый) значений.

Источник напряжения постоянного тока работает следующим образом.

Входное однофазное напряжение источника питания переменного тока U_вх подводимое к входным выводам 27 и 28 (фиг.1) через рабочую обмотку управляющего дросселя 1 поступает на первичные обмотки 6 и 7 ТВМП 2. При протекании тока в первичных обмотках 6, 7 и фазосдвигающем конденсаторе 8 в магнитопроводе ТВМП 2 создается вращающееся магнитное поле, вызывающее действие переменной ЭДС во вторичной обмотке 4. Напряжение переменного тока преобразуется в постоянный ток выпрямителем 9 и после его сглаживания фильтром 10 подводится к выходным выводам 29, 30.

В нормальном режиме работы система стабилизации 11 работает следующим образом.

С выхода источника напряжения постоянного тока, сигнал, пропорциональный величине выходного напряжения U_вых, являющийся ведущим для системы стабилизации напряжения 11, через делитель напряжения 12 поступает на первый вход формирователя импульсов 13 (фиг.2.б, U_ДН1; фиг.3, контрольная точка (кт) 16; фиг.4.б, U₁₆). На второй вход формирователя импульсов 13 поступает сигнал U_ГПН от источника опорного сигнала - генератора пилообразного напряжения 14 (фиг.2.б, U_ГПН; фиг.3, кт.15; фиг. 4.б, U₁₅), работа которого синхронизирована с входным напряжением источника U_вх (фиг.2.а; фиг.3, кт.2; фиг. 4.а, U₂). Когда сигнал U_ГПН>U_ДН1 формирователь импульсов 13 формирует импульсы U_ФИ (фиг.2.в; фиг.3, кт.11; фиг. 4.в, U₁₁) активирующие светодиод 15.1 оптрона 15.

Перевод светодиода 15.1 в активное состояние сопровождается переводом фототранзистора 15.2 в открытое состояние, обеспечивающее снижение сопротивления участка коллектор-эмиттер фототранзистора 15.2, а значит и возрастание величины тока протекающего через резистор 26. Возрастающее падение напряжения на котором (фиг.3, кт.10; фиг.4.г, U₁₀) приводит к отпиранию МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа 25 и протеканию тока в обмотке управления управляющего дросселя 1 (фиг.3, кт.5,7,12; фиг.4.д, -I_R3).

Угол управления транзистором α₁ соответствует номинальному режиму работы.

При возникновении дестабилизирующих факторов на выходе источника напряжения постоянного тока, система стабилизации 11 изменяет время открытого состояния МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа 25 таким образом, что выходное напряжение U_вых остается неизменным. К примеру, если напряжение на выходе источника напряжения постоянного тока уменьшится, уменьшится напряжение на выходе делителя напряжения 12, уменьшится угол управления транзистором до величины, равной α₂ (фиг.2, г, д). Тогда увеличится время открытого состояния МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа 25, что приведет к увеличению тока в обмотке управления W_У управляющего дросселя 1 (фиг.1), являющегося током подмагничивания, уменьшению сопротивления рабочей обмотки W_P и соответственно уменьшению падения напряжения на этой обмотке. Поскольку рабочая обмотка W_р управляющего дросселя 1 включена последовательно с первичными обмотками ТВМП 2, то это приведет к увеличению напряжения на первичных обмотках ТВМП 2, а значит увеличится напряжение U_вых на выходе источника напряжения постоянного тока.

Таким образом, при любых дестабилизирующих факторах: изменение напряжения, изменение тока нагрузки - изменяется угол α - угол коммутации МДП транзистора 25 и происходит стабилизация выходного напряжения.

В случае прототипа имеет место относительно низкий КПД. Это обусловлено использованием биполярного транзистора в качестве коммутационного элемента цепи питания обмотки управления W_У управляющего дросселя 1. Так как биполярный транзистор - это прибор, управляемый током, собственное энергопотребление которого, а значит, и тепловой режим, напрямую связан с величиной коммутируемого тока. А попытка снижения транзистором собственного энергопотребления (повышения КПД устройства) за счет использования транзистора с меньшим током базы (а значит, и меньшей допустимой мощностью рассеивания - неизбежно повысит требования к увеличению теплоотвода), повлечет снижение надежности устройства.

В то же время МДП транзисторы с индуцированным каналом характеризуются рядом преимуществ относительно биполярных транзисторов (Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1985, с.19):

- управление напряжением (высокое сопротивление со стороны затвора, ток затвора практически равен нулю);

- высокая скорость переключения;

- почти неограниченная нагрузочная способность по выходу (если не учитывать скорость переключения);

- очень малая вероятность теплового саморазогрева;

- очень малая вероятность вторичного пробоя;

- допустимость резкого изменения тока стока.

А значит, предлагаемое устройство, в схеме узла коммутации 24 которого использован МДП транзистор 25, при той же величине коммутируемой мощности, что и в случае прототипа, будет характеризоваться более высоким значением как КПД, так и, прежде всего, надежностью.

Немаловажный вклад в повышение, как надежности, так и КПД предлагаемого устройства, вносит факт упрощения схемы системы стабилизации напряжения.

Система стабилизации 11 предлагаемого устройства, в отличие от прототипа, не содержит усилитель импульсов, недостатками которого является как необходимость потребления мощности, так и сложность реализации, а значит и пониженная надежность устройства в целом.

В случае прототипа, имеет место фактическое подключение обмотки управления W_У управляющего дросселя 1 к выходной цепи источника напряжения постоянного тока посредством коллектор-эмиттерного перехода биполярного транзистора. Ток обмотки управления W_У управляющего дросселя 1 служит дополнительным дестабилизирующим фактором нагрузки, снижающим качество стабилизации выходного напряжения. Что не наблюдается в случае предлагаемого устройства. Так как узел коммутации 24, в силу наличия блока питания узла коммутации 16, исключает дестабилизирующее влияние тока обмотки управления W_У управляющего дросселя 1. А значит, предлагаемое устройство будет характеризоваться более высоким коэффициентом стабилизации.

Claims (1)

1. Источник напряжения постоянного тока, содержащий: трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП), магнитная система которого содержит сердечник с вторичной обмоткой и тороидальную часть магнитопровода с двумя первичными обмотками, расположенными в пространстве относительно друг друга под углом 90°, начала которых соединены через фазосдвигающий конденсатор; управляющий дроссель с рабочей обмоткой и обмоткой управления; выпрямитель; фильтр; систему стабилизации напряжения, содержащую делитель напряжения, генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов; входные выводы для подключения источника питания переменного тока; выходные выводы источника напряжения постоянного тока, причем: начало рабочей обмотки управляющего дросселя соединено со вторым входным выводом для подключения источника питания переменного тока, а ее конец соединен с концами первой и второй первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем; начало первой первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем соединено с первым выводом для подключения источника питания переменного тока и первым выводом фазосдвигающего конденсатора, второй вывод которого соединен с началом второй первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем; вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем через выпрямитель и фильтр соединена с выходными выводами источника напряжения постоянного тока; первый вход делителя напряжения, служащий четвертым выводом системы стабилизации напряжения, соединен с первым выходным выводом источника напряжения постоянного тока, второй вход делителя напряжения, служащий третьим выводом системы стабилизации напряжения, соединен со вторым выходным выводом источника напряжения постоянного тока, выход делителя напряжения соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, входы которого служат первым и вторым выводами системы стабилизации напряжения, соединенные, соответственно, со вторым и первым входными выводами для подключения источника питания переменного тока, отличающийся тем, что в устройство введены: блок питания узла коммутации, содержащий разделительный конденсатор, трансформатор, выпрямительный диод, фильтрующий конденсатор, балластный резистор, первый и второй стабилитроны, причем первый вывод разделительного конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, и второй вывод первичной обмотки трансформатора служат первым и вторым выводами блока питания узла коммутации, соединенные с первым и вторым выводами для подключения источника питания переменного тока, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого соединен с первым выводом фильтрующего конденсатора и первым выводом балластного резистора, второй вывод которого соединен с катодом первого стабилитрона и пятым выводом блока питания узла коммутации, подключенного к началу обмотки управления управляющего дросселя, анод первого стабилитрона соединен с катодом второго стабилитрона и четвертым выводом блока питания узла коммутации, анод второго стабилитрона соединен со вторым выводом фильтрующего конденсатора, вторым выводом вторичной обмотки трансформатора и третьим выводом блока питания узла коммутации; узел коммутации, содержащий фототранзистор, входящий в состав оптрона, представляющего собой оптопару по типу светодиод-фототранзистор, МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа, резистор, причем коллектор фототранзистора, служащий первым выводом узла коммутации, соединен с четвертым выводом блока питания узла коммутации, эмиттер фототранзистора соединен с первым выводом резистора и затвором транзистора с индуцированным каналом n-типа, исток которого, а также второй вывод резистора служат вторым выводом узла коммутации, соединенный с третьим выводом блока питания узла коммутации, сток МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа, служащий третьим выводом узла коммутации, соединен с концом обмотки управления управляющего дросселя; в состав системы стабилизации напряжения – светодиод, входящий в состав оптрона, представляющего собой оптопару по типу светодиод-фототранзистор, и служащий нагрузкой формирователя импульсов.