Источник постоянного тока импульсного действия

Заявляемая полезная модель относится к источникам электропитания радиопередающих устройств, а именно к источникам, работа которых основана на преобразовании энергии постоянного тока на входе источника в энергию постоянного тока на его выходе с промежуточным преобразованием в переменный ток и выполненным на полупроводниковых приборах.

Источник электропитания постоянного тока импульсного действия, содержит инвертор мостового типа, выполненный на ключевых приборах, устройство управления, соединенное своими выходами с упомянутыми ключевыми приборами, первую индуктивность, одним выводом соединенную с первым выводом диагонали переменного тока инвертора, а другим выводом - с первым конденсатором, при этом точка соединения первой индуктивности и первого конденсатора соединена с первым входным выводом трансформатора, который последовательно соединен с выпрямителем, последовательно соединенным с фильтром, два последовательно соединенных между собой своими первыми выводами диода, второй конденсатор, последовательно соединенный с первым конденсатором, и вторую индуктивность. Диоды своими вторыми выводами соединены с диагональю постоянного тока инвертора в направлении, обратном направлению протекания входного тока, а точка соединения диодов между собой через вторую индуктивность соединена с точкой соединения конденсаторов между собой. Второй конденсатор своим вторым выводом одновременно соединен со вторым входным выводом трансформатора и со вторым выводом диагонали переменного тока инвертора. Диагональ постоянного тока инвертора и входы устройства управления соединены с источником входного напряжения постоянного тока.

Заявляемая полезная модель относится к импульсной технике и передаче сигналов с использованием радиоволн, в частности к источникам электропитания (ИЭП) радиопередающих устройств (РПУ), а именно к источникам электропитания, работа которых основана на преобразовании энергии постоянного тока на входе источника в энергию постоянного тока на его выходе с промежуточным преобразованием в переменный ток, и выполненным на полупроводниковых приборах.

К современным ИЭП РПУ радиолокационных станций (РЛС), в том числе и мобильным, предъявляются высокие требования по эксплуатационным и электрическим параметрам, КПД, а также по массогабаритным характеристикам.

Известен ИЭП непрерывного действия для РПУ со стабилизатором напряжения непрерывного действия, выполняющим одновременно и функцию активного фильтра (см., например, «Проектирование источников электропитания электронной аппаратуры» учебное пособие Березин O.K., Костиков В.Г. и др.; под ред. Шахнова В.А. 4-е изд., перераб. и доп. М.: КНОРУС, 2010 г., с.317, рис.2.105), содержащий входной трансформатор, входной выпрямитель со входным фильтром, регулирующий компонент непрерывного действия (электровакуумный прибор), управляемый усилителем постоянного тока по сигналам обратной связи с выхода ИЭП, и выходной фильтр. На вход ИЭП подается напряжение синусоидальной формы, поэтому его выходное напряжение имеет низкий уровень пульсаций. Стабильность выходного напряжения обеспечивается непрерывным действием регулирующего компонента.

Недостатками этого ИЭП являются его большие габаритные размеры и масса из-за больших габаритных размеров и массы используемых в нем низкочастотного трансформатора и других входящих компонентов, что также ограничивает использование ИЭП в составе РПУ мобильных РЛС.

Известны источники электропитания постоянного тока импульсного действия, которые реализуют другой принцип работы по сравнению с выше упомянутым ИЭП непрерывного действия, а именно: преобразование входного напряжения постоянного тока в напряжение переменного или пульсирующего тока прямоугольной формы и высокой частоты с последующей трансформацией и выпрямлением.

Эти ИЭП выполняются на базе инвертора с использованием высокочастотных активных и реактивных компонентов и имеют меньшие массу и габаритные размеры по сравнению с ИЭП непрерывного действия.

Однако из-за прямоугольной формы выходного напряжения инвертора такие ИЭП импульсного действия имеют высокие уровень пульсаций и нестабильность выходного напряжения, что неприемлемо при работе ИЭП в составе РПУ.

Для того чтобы источник электропитания импульсного действия обеспечивал низкие уровень пульсаций и нестабильность выходного напряжения, необходимо, чтобы выходное напряжение инвертора, подаваемое на трансформатор, было преобразовано в напряжение синусоидальной формы.

Примером такого ИЭП является источник электропитания импульсного действия (см., например, описание к авторскому св-ву СССР 1091291, МКИ: Н02М 3/335, заявка 3514364 от 24.11.1982 г. «Преобразователь напряжения» авторы Попов В.В. и Пацевич В.Э.), содержащий инвертор с прямоугольной формой выходного напряжения, выполненный по полумостовой схеме с двумя парами транзисторов, коммутируемых устройствами управления, резонансный LC-контур, настроенный на частоту первой гармоники последовательности прямоугольных импульсов, и нагрузку, выполненную, например, в виде последовательно соединенных между собой трансформатора, выпрямителя и фильтра.

Благодаря наличию резонансного контура между инвертором и трансформатором на вход последнего подается напряжение синусоидальной формы.

Недостатком этого устройства является то, что во время работы устройства требуемые низкие уровень пульсаций и нестабильность выходного напряжения удается получить не во всем диапазоне значений выходного тока. Так, при малом значении выходного тока (обычно ниже 10 % от номинального) при переходе напряжения в цепи через нулевое значение возникают большие кратковременные броски тока в связи с существенным изменением потокосцепления в магнитопроводе трансформатора (см. статью «Нелинейные электрические цепи» Бессонов А.А. Высшая школа, 1964 г. 431 с.), в результате чего повышается добротность резонансного контура, что приводит к повышению напряжения на его выходе и соответственно - повышению уровня пульсаций и нестабильности выходного напряжения ИЭП выше допустимых значений (значений, при которых обеспечивается штатная работа РПУ). Таким образом, при малых значениях выходных токов данный ИЭП не обеспечивает требуемые стабильность и уровень пульсаций выходного напряжения, что ограничивает его эксплуатационные возможности.

Наиболее близким по назначению и технической сущности решением - прототипом является источник электропитания, выполненный на базе инвертора по мостовой схеме с формирующим (резонансным) контуром в диагонали переменного тока (см. статью Полищук А.Г., Млинник А.Ю., Монин С.В., Казанцев В.И. «Высокоэффективные источники вторичного электропитания радиопередающих устройств СВЧ», Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана, серия Приборостроение, 2000, 4 (41). - с.101, рис.1).

Данный ИЭП содержит инвертор на четырех ключевых приборах - транзисторах со схемой управления ими, на диагональ постоянного тока которого подается входное напряжение постоянного тока, а в диагональ переменного тока включены последовательно соединенные индуктивность и емкость (конденсатор), соединенная своими выводами со входами трансформатора, к выходам которого подключены последовательно соединенные между собой выпрямитель и фильтр выпрямленного напряжения.

Недостатком этого ИЭП является то, что при малых значениях выходного тока (обычно ниже 10 % от номинального) не обеспечиваются требуемые стабильность и уровень пульсаций выходного напряжения, так как в момент перехода напряжения в цепи через нулевое значение возникают большие кратковременные броски тока в связи с существенным изменением потокосцепления в магнитопроводе трансформатора, в результате чего повышается добротность резонансного контура, что приводит к повышению напряжения на его выходе и соответственно - повышению уровня пульсаций и нестабильности выходного напряжения ИЭП выше допустимых значений. Таким образом, при малых значениях выходных токов данный ИЭП не обеспечивает требуемые стабильность и уровень пульсаций выходного напряжения, что ограничивает его эксплуатационные возможности.

Технический результат, который достигается при использовании предлагаемого технического решения, заключается в расширении эксплуатационных возможностей источника электропитания за счет обеспечения требуемого качества его выходного напряжения и при малых значениях выходного тока, то есть практически во всем рабочем диапазоне значений выходного тока.

Кроме того, предлагаемая полезная модель расширяет арсенал известных технических средств аналогичного назначения.

Технический результат достигается тем, что в источник электропитания постоянного тока импульсного действия, содержащий инвертор мостового типа, выполненный на ключевых приборах, устройство управления, соединенное своими выходами с упомянутыми ключевыми приборами, первую индуктивность, одним выводом соединенную первым выводом с диагональю переменного тока инвертора, а другим выводом - с первым конденсатором, при этом точка соединения первой индуктивности и первого конденсатора соединена с первым входным выводом трансформатора, который последовательно соединен с выпрямителем, последовательно соединенным с фильтром, а диагональ постоянного тока инвертора и входы устройства управления соединены с источником входного напряжения постоянного тока, дополнительно введены два последовательно соединенных между собой своими первыми выводами диода, второй конденсатор, последовательно соединенный с первым конденсатором, и вторая индуктивность, при этом диоды своими вторыми выводами соединены с диагональю постоянного тока инвертора в направлении, обратном направлению протекания входного тока, а точка соединения диодов между собой через вторую индуктивность соединена с точкой соединения конденсаторов между собой, причем второй конденсатор своим вторым выводом одновременно соединен со вторым входным выводом трансформатора и со вторым выводом диагонали переменного тока инвертора.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где

- на фиг.1 представлена функциональная схема ИЭП постоянного тока импульсного действия;

- на фиг.2 представлены осциллограммы напряжений и токов, поясняющие принцип работы ИЭП постоянного тока импульсного действия, где:

- на фиг.2а показана осциллограмма напряжения u_инв на выходе инвертора;

- на фиг.2б - осциллограмма входного тока i_вх формирующего контура;

- на фиг.2в - осциллограмма напряжения u_LC на конденсаторах контура;

- на фиг.2г и 2д - осциллограммы токов i₇ и i₈ диодов 7 и 8 соответственно;

- на фиг.2е - осциллограмма напряжения u₁₀ на второй индуктивности.

Источник электропитания (см. фиг.1) содержит инвертор мостового типа 1 на ключевых приборах 2, 3, 4 и 5, соединенных с выходами устройства управления 6, и два последовательно соединенных между собой первыми выводами диода 7, 8, вторые выводы которых подключены к диагонали постоянного тока инвертора 1 в направлении, обратном направлению протекания входного тока ИЭП, две индуктивности 9, 10 и два последовательно соединенных между собой первыми выводами конденсатора 11 и 12. Первая индуктивность 9 одним выводом соединена с первым выводом диагонали переменного тока инвертора 1, а другим выводом - со вторым выводом конденсатора 11, при этом точка соединения первой индуктивности 9 и первого конденсатора 11 соединена с первым входным выводом трансформатора 13. Точка соединения диодов 7 и 8 между собой через вторую индуктивность 10 соединена с точкой соединения между собой первых выводов конденсаторов 11 и 12. Второй конденсатор 12 своим вторым выводом одновременно соединен со вторым входным выводом трансформатора 13 и со вторым выводом диагонали переменного тока инвертора 1. Трансформатор 13 последовательно соединен с выпрямителем 14, который последовательно соединен с фильтром 15. Диагональ постоянного тока инвертора 1и входы устройства управления 6 соединены с источником входного напряжения постоянного тока (не показан). Выходы фильтра 15 являются выходами источника электропитания постоянного тока импульсного действия.

В качестве ключевых приборов инвертора могут быть использованы, например, транзисторы или тиристоры.

Источник электропитания работает следующим образом. Напряжение U_вх постоянного тока подается на вход инвертора 1. Ключевые приборы - транзисторы 2, 3, 4 и 5 - по командам устройства управления 6 в соответствии с заданной программой преобразуют напряжение U_вх постоянного тока в последовательность прямоугольных импульсов напряжения u_инв (фиг.2а). Резонансный LC контур (компоненты: 9, 10, 11 и 12), настроенный в резонанс с частотой инвертора 1, выделяет из последовательности прямоугольных импульсов напряжения u_инв первую гармонику, преобразуя напряжение прямоугольной формы в напряжение u _LC синусоидальной формы (фиг.2в). Максимальное напряжение U_Cмакс на суммарной емкости конденсаторов контура, равной С=С₁₁×С₁₂/(С₁₁+С ₁₂), определяется выражением u_Cмакс=U_вx ×Q_нагр, где Q_нагр - добротность нагруженного контура. Таким образом, входной ток i_вх резонансного контура (фиг.2б) и напряжение u_LC на его выходе (фиг.2в) имеют синусоидальную форму, при этом входной ток контура совпадает по фазе с входными импульсами напряжения u_инв.

При повышении сопротивления нагрузки (РПУ) уменьшается выходной ток ИЭП и следовательно добротность контура возрастает, что приводит к росту тока через ключевые приборы 2, 3, 4 и 5 и возрастанию напряжения на емкости конденсаторов 11 и 12 и на входе РПУ. В первом (условно положительном) полупериоде (при открытых транзисторах 4 и 3), когда напряжение на конденсаторе 12 достигает значения половины входного напряжения u_вх , открывается диод 7 и конденсатор 12 разряжается через индуктивность 10, выполняющую функцию дросселя, и диод 7 на источник входного напряжения (фиг.2г). При этом резонансный LC-контур нагружается, отдавая часть запасенной энергии в источник входного напряжения. В следующий (условно отрицательный) полупериод (при открытых транзисторах 2 и 5) происходят аналогичные процессы, но разряд конденсатора 12 происходит уже через диод 8 (фиг.2д). Напряжение на индуктивности 10 изменяется по закону, показанному на фиг.2е. Полученное напряжение синусоидального тока передается во вторичную обмотку трансформатора, затем выпрямляется, фильтруется и подается на вход РПУ.

Порог включения диодов 7 и 8, а также требуемый уровень выходного напряжения резонансного контура устанавливают выбором параметров конденсаторов 11 и 12 и индуктивности 10. При этом контур, образованный конденсатором 12 и индуктивностью 10, должен быть настроен в резонанс с рабочей частотой инвертора 1 для предотвращения искажения формы выходного напряжения ИЭП.

Следовательно, при уменьшении значения выходного тока ниже определенного уровня, потребляемого РПУ, происходит автоматическая подгрузка резонансного LC-контура, что обеспечивает ограничение входного тока контура и поддержание выходного напряжения ИЭП на требуемых уровне пульсаций и стабильности, то есть обеспечивается требуемые уровень пульсаций и стабильность выходного напряжения во всем диапазоне значений выходных токов, что расширяет эксплуатационные возможности ИЭП, в частности делает возможным его использование в радиопередающих устройствах радиолокационных станций, в том числе и мобильных.

Заявленное устройство может быть изготовлено по известным правилам на базе выпускаемых промышленностью компонентов, поэтому его техническая реализация и, следовательно, промышленная применимость, по мнению авторов, сомнений не вызывает.

Источник электропитания постоянного тока импульсного действия, содержащий инвертор мостового типа, выполненный на ключевых приборах, устройство управления, соединенное своими выходами с упомянутыми ключевыми приборами, первую индуктивность, одним выводом соединенную с первым выводом диагонали переменного тока инвертора, а другим выводом - с первым конденсатором, при этом точка соединения первой индуктивности и первого конденсатора соединена с первым входным выводом трансформатора, который последовательно соединен с выпрямителем, последовательно соединенным с фильтром, а диагональ постоянного тока инвертора и входы устройства управления соединены с источником напряжения постоянного тока, отличающийся тем, что в источник электропитания дополнительно введены два последовательно соединенных между собой своими первыми выводами диода, второй конденсатор, последовательно соединенный с первым конденсатором, и вторая индуктивность, при этом диоды своими вторыми выводами соединены с диагональю постоянного тока инвертора в направлении, обратном направлению протекания входного тока, а точка соединения диодов между собой через вторую индуктивность соединена с точкой соединения конденсаторов между собой, причем второй конденсатор своим вторым выводом одновременно соединен со вторым входным выводом трансформатора и со вторым выводом диагонали переменного тока инвертора.