Вторичный источник электропитания с гальванически развязанным управлением

Настоящая полезная модель относится к области электротехники, в частности к регулируемым или управляемым импульсным устройствам электропитания, которые содержат функции для внешнего управления. Одной из перспективных и динамично развивающихся областей технического применения является осветительное оборудование, а также другие сферы применения, где требуется обеспечить регулировку выходных параметров источника питания от уровня входного сигнала управления во всем требуемом диапазоне. Техническим результатом, обеспечивающим заявляемой полезной моделью, является расширение функциональных возможностей по управлению, обеспечение повышенного уровня отказоустойчивости и защиты, а также гальванической развязки внешних устройств управления по «массе» и входному сигналу управления, подключаемых к импульсным источникам вторичного электропитания. Существенным преимуществом представленного решения также являются низкая стоимость реализации и расширенные эксплуатационные характеристики. Вторичный источник электропитания с гальванически развязанным управлением состоит из первичного блока преобразователя или блока преобразователя, вторичного блока преобразователя, трансформатора для передачи энергии и гальванической развязки между цепями по входу и выходам или дросселя для передачи энергии между цепями по входу и выходам, схемы стабилизации по току или напряжению на выходе, узла вывода опорного сигнала требуемого для внешнего или внутреннего регулирования выходными параметрами. Вторичный источник электропитания так же содержит блок сопряжения, который обеспечивает гальванически развязанное аналоговое или комбинированное аналоговое и широтно-импульсное управление с заданной функцией передачи уровня входного сигнала управления на узел вывода опорного сигнала. Помимо этого вторичный источник электропитания может содержать дополнительную вспомогательную обмотку питания для блока сопряжения, который обеспечивает линейную функцию передачи уровня входного сигнала управления на узел вывода опорного сигнала и состоит из стабилизатора источника опорного напряжения и узла сопряжения с развязкой. Так же он может включать в себя оптронные изоляторы с одинаковыми передаточными характеристиками и параметрами в схеме узла сопряжения с развязкой для обеспечения линейного коэффициента передачи выходного сигнала со схемы преобразователя уровня входного сигнала управления на узел вывода опорного сигнала. Помимо этого в составе узла сопряжения может быть микроконтроллер и интерфейсный модуль для реализации цифровых алгоритмов управления, как по аналоговому уровню входного сигнала, так и в формате различных протоколов обмена на базе популярных интерфейсов обмена.

Настоящая полезная модель относится к области электротехники, в частности к регулируемым или управляемым импульсным устройствам электропитания, которые содержат функции для внешнего управления. Одной из перспективных и динамично развивающихся областей технического применения является осветительное оборудование, а также другие сферы применения, где требуется обеспечить регулировку выходных параметров источника питания от уровня входного сигнала управления во всем требуемом диапазоне. Тенденция развития энергосберегающих технологий и интеграция источников питания в автоматизированные системы и технологические процессы требуют обеспечение оперативного контроля и управления режимами работы различных устройств. На современном рынке широко представлены источники питания с функцией внешнего управления, которая позволяет изменять выходные параметры источника питания (ток, напряжение или мощность) в соответствии с заданным внешним уровнем сигнала. В области светотехники используется общепринятый стандарт аналогово управления 0/1-10 В или широтно-импульсное управление фиксированной частоты.

Известно Устройство источника питания и осветительное оборудование, включающее в себя устройство источника питания (патент на изобретение RU 2442300 от 24.03.2009 г., опубл. 10.02.2012 г., МПК Н05В 37/02). Устройство источника питания содержит средство выработки выходной мощности постоянного тока для приема мощности переменного тока, преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока и выдачи мощности постоянного тока, полупроводниковый светоизлучающий элемент, который питается мощностью постоянного тока, выданной из средства выработки выходной мощности постоянного тока, и испускает свет и средство управления для приема сигнала уменьшения силы света и управления выводом мощности постоянного тока из средства выработки выходной мощности постоянного тока в соответствии с сигналом уменьшения силы света, средство управления управляет средством выработки выходной мощности постоянного тока, чтобы уменьшать силу света и зажигать или гасить полупроводниковый светоизлучающий элемент, прекращая управление мощностью постоянного тока, на основании сигнала уменьшения силы света в течение предопределенного периода времени, начиная с временной привязки непосредственно после того, как подается мощность переменного тока.

Также известен Способ и схема диммируемого светодиодного драйвера (US 20140167634 A1 опубл. 19.06.2014 г., МПК Н05В 37/02). Светодиодный драйвер, включающий: трансформатор, имеющий первичную сторону и вторичную сторону, первичная сторона выполнена с возможностью передачи энергии к вторичной стороне в ответ на входной сигнал, и на вторичной стороне, выполненного с возможностью предоставления выходного тока в одном или нескольких светодиодов на величину, соответствующей количеству энергии передаваемой вторичной стороне. Контур управления током, выполненный с возможностью контролировать ток в первичной обмотке так, чтобы выходной ток был равен опорному токовому сигналу. Схема регулирования тока, выполненная с возможностью чтобы вводить сигнал регулировки тока в контур управления током в ответ на фазовой сигнал, который смещает часть входного сигнала и отличающийся тем, что контур тока управления дополнительно выполнен с возможностью уменьшения тока в первичной обмотке, чувствительной к текущему сигналу регулировки таким образом, что яркость каждого светодиода, подключенного к вторичной стороне уменьшается на величину, соответствующую величине текущего сигнала регулировки.

Недостатком указанных источников питания является отсутствие возможности аналогово или комбинированного управления с линейной зависимостью от уровня входного сигнала. Наличие оптронного изолятора действительно обеспечивает гальваническую развязку по цепи управления, однако нелинейная характеристика оптрона предполагает только импульсное управление, что значительно ограничивает функциональные возможности.

Наиболее близко к предложенному по технической сущности Устройство источника питания и осветительное оборудование (патент на изобретение RU 2513548 от 24.03.2009 года, опубл. 27.04.2012 г., МПК Н05В 37/02). Устройство источника питания, содержащее: полупроводниковый светоизлучающий элемент средство регулирования для приема сигнала уменьшения силы света, указывающего глубину уменьшения силы света, устанавливающее одно из режима регулирования тока и режима регулирования напряжения на основании глубины уменьшения силы света и возбуждающее полупроводниковый светоизлучающий элемент, причем: в режиме регулирования тока средство регулирования определяет целевой ток на основании глубины уменьшения силы света и регулирует постоянный электрический ток, подводимый к полупроводниковому светоизлучающему элементу для возбуждения полупроводникового светоизлучающего элемента таким образом, что постоянный электрический ток поддерживается на целевом токе, и в режиме регулирования напряжения средство регулирования определяет целевое напряжение на основании глубины уменьшения силы света и регулирует напряжение нагрузки, приложенное к полупроводниковому светоизлучающему элементу), которое подводится с постоянным электрическим током для возбуждения полупроводникового светоизлучающего элемента таким образом, что напряжение нагрузки поддерживается на целевом напряжении.

Также очень близким по технической сущности можно считать Диммируемый светодиодный драйвер (US 20140042912 A1 опубл. 13.02.2014 г., МПК Н05В 33/08). Устройство для диммирования, по крайней мере, на одну нагрузку, причем устройство содержит: источник питания, имеющий выходное напряжение. Множество каналов драйвера соединены с выходом по напряжению источника питания, каждый из которых имеет на выходе нагрузку и контроллер, имеющий множество каналов задания значения тока, каждый из которых соединен с одной из схем многоканального драйвера, отличающийся тем, что канал схемы драйвера, выполнен с возможностью контролировать ток выхода на нагрузке по заданному значению. Недостаток указанных аналогов заключается в том, что существует прямая гальваническая связь устройства управления с выходом источника питания по цепи задания опорного сигнала. Различные переходные процессы, пробои и разряды, а также появление высоких потенциалов в нагрузке, связанной по «массе» с выходом устройства управления существенно снижает надежность и устойчивость, а также может привести к преждевременному выходу из строя оборудования.

Технической задачей, на решение которой направлена заявленная модель, заключается в создании источника питания, лишенного недостатков представленных аналогов и прототипов и способного, в отличие от прототипов, обеспечить гальваническую развязку по цепи управления, тем самым повысить уровень защиты устройств управления, а также обеспечить аналоговое или комбинированное аналоговое - широтно-импульсное управление с заданной функцией передачи входного сигнала управления на вход задания опорного сигнала.

Техническое решение направлено на устранение указанных недостатков и достигается тем, что в индуктивный элемент накопления энергии трансформатор или дроссель (в зависимости от вида топологии) импульсного источника питания вводится дополнительная вспомогательная обмотка питания, обеспечивающая гальваническую развязку по цепи управления и энергия индукции которой обеспечивает питание схемы блока сопряжения по входу управления. Линейный коэффициент передачи выходного сигнала со схемы преобразования входного импульсного или аналогово сигнала управления на вход задания опорного сигнала обеспечивается применением интегральных элементов со встроенной гальванической изоляцией.

Техническим результатом, обеспечивающим заявляемой полезной моделью, является расширение функциональных возможностей по управлению, обеспечение повышенного уровня отказоустойчивости и защиты, а также гальванической развязки внешних устройств управления по «массе» и входному сигналу управления, подключаемых к импульсным источникам вторичного электропитания. Существенным преимуществом представленного решения также являются низкая стоимость реализации и расширенные эксплуатационные характеристики.

Полезная модель поясняется чертежами:

на фиг. 1А показана структурная схема первого варианта исполнения источника питания согласно настоящей полезной модели;

на фиг. 1Б показана структурная схема второго варианта исполнения источника питания согласно настоящей полезной модели;

на фиг. 2 показана структурная схема третьего варианта исполнения источника питания согласно настоящей полезной модели;

на фиг. 3 показана упрощенная электрическая принципиальная схема блока сопряжения;

на фиг. 4А и фиг. 4Б показаны графики зависимости выходного сигнала со схемы блока сопряжения в зависимости от уровня и типов входного сигнала управления;

на фиг. 5 показана упрощенная электрическая принципиальная схема модификации блока сопряжения.

Лучший вариант исполнения источника питания для распространенной «обратноходовой» (flyback) топологии изображен на Фиг. 1А, включает в себя импульсный трансформатор 14 с первичной обмоткой 14а и вторичной обмоткой 14b (для осуществления многоканального выхода предполагается наличие вторичной обмотки 14с и более), обеспечивающий передачу энергии и гальваническую развязку между цепями по входу и выходам, подключенными к обмоткам. К первичной обмотке трансформатора подключен первичный блок преобразователя 10, который, как правило, в классическом варианте состоит из ШИМ (широтно-импульсная модуляция) контроллера, транзисторного силового ключа, выпрямителя, фильтров подавления электромагнитных помех и т.д. Питание основного блока источника 7 осуществляется источником напряжения постоянного или переменного тока 9. Выходное напряжение 13.1 постоянного тока формируется на выходе вторичного блока преобразователя 12, подключенного к выводам вторичной обмотки 14b. Выход со схемы стабилизации 13 по току или напряжению подключается непосредственно к нагрузке 12. Узел вывода опорного сигнала 11, требуемый для внутреннего или внешнего регулирования выходными параметрами источника питания, управляется постоянным напряжением по уровню сигнала Vout, формируемый с выхода узла сопряжения с развязкой 16 в составе блока сопряжения 17. Стабилизатор источник ОН (опорного напряжения) 15, подключенный к выводам дополнительной вспомогательной обмотке питание ISO, формирует напряжение питания для схемы узла сопряжения с развязкой 16 по входу управления.

В последующем описании прежние номера ссылок обозначают те же части, что и на Фиг.1А, и их описание повторяться не будет.

Известно, что для построения импульсных источников питания также существуют ШИМ контроллеры (англ. название Primary Side Regulated Flyback Controllers), которые обеспечивают стабилизацию выходных параметров в нагрузке путем контроля тока и напряжения по первичной цепи импульсного трансформаторного преобразователя. В этом случае структурная схема источника питания в составе основной блок 5 с блоком сопряжения 17 для внешнего изолированного управления приобретает вид, представленный на Фиг.1Б. Аналогичным образом узел вывода опорного сигнала 11 управляется по уровню сигнала Vout, как и в варианте источника на Фиг. 1.А и принцип реализации изолированного управления не меняется. Устройство и состав третьего варианта исполнения источника питания настоящей полезной модели, изображенные на Фиг. 2, представляют собой структурную компоновку для топологий построения импульсных источников питания вида «понижающие» (Buck), «повышающие» (Boost) или «понижающие-повышающие» (Buck-Boost), при этом гальваническая развязка между входными цепями и нагрузкой 12 отсутствует. В этом случае обеспечение гальванической развязки основного блока 6 источника питания по управлению, предлагаемой настоящей полезной моделью, становится более актуальным. Состав и работа устройства во многом идентичны варианту на Фиг.1А, за исключением наличия дросселя (катушки индуктивности) 22а на сердечнике 22 и блока преобразователя 8. В представленном варианте вспомогательная обмотка питания ISO вводится непосредственно на сердечник дросселя 22. В процессе работы энергия индукции с обмотки дросселя 22а на обмотке ISO также питает блок сопряжения 17. При этом общая суть работы блока сопряжения 17 в таком исполнении также не меняется и аналогична вариантам исполнения источников на Фиг.1А и Фиг.1Б.

Стоит отметить, что для технического результата в качестве альтернативы питающего гальванически развязанного элемента для блока сопряжения 17 на выход вторичного блока преобразователя 13.1 можно подключить DC/DC-конвертер, выход которого будет подключен на вход стабилизатора источника ОН 15, исключая наличие вспомогательной обмотки питания ISO, однако, такое решение будет более дорогостоящим.

Упрощенная принципиальная схема блока сопряжения 17 представлена на Фиг. 3. Поступающий сигнал управления Vin с выхода устройства управления 18 ограничивается по уровню защитным стабилитроном VD1 и далее поступает на схему неинвертирующего первичного преобразования, которая реализует линейную функцию передачи и состоит из операционного усилителя (ОУ) DD2.1, резистора R4 в положительной обратной связи, делителя выходного напряжения R8-R9 в отрицательной обратной связи и делителя R2-R3 подключенного к опорного потенциалу UREF.

Стабилизатор источник ОН 15 содержит цепь из элементов выпрямителя импульсов VD2 и конденсатора С3 на выводах обмотки ISO для формирования вспомогательного питающего напряжения постоянного тока, которое затем поступает на регулирующий транзистор VT1 (включенный по схеме эмиттерный повторитель) и параметрический термокомпенсированный стабилизатор на микросхеме DD4 (например, микросхема TL431). Напряжение питания VCC узла сопряжения с развязкой 16 фиксируется значением, определяемым уровнем управляющего напряжения на DD4 поступающее с делителя R14 и R15. Ток стабилизатора DD4 и ток базы транзистора VT1 ограничивается резистором R13, значение которого подбирается минимальным рабочим током стабилизатора DD4. Аналогичным образом работает параметрический стабилизатор (в составе DD6, VT2, R19, R17 и R18) напряжения питания VDD с выхода 13.1 блока преобразователя 8 или вторичного блока преобразователя 12. С выхода ОУ DD2.1 сигнал управления далее поступает на схему температурной стабилизации и ограничения максимального уровня входного сигнала Voutmax на вход ОУ DD2.2. Максимальный уровень напряжения Vout max, соответствующий значению входного напряжения Vinmax, фиксируется также параметрическим стабилизатором на микросхеме DDI (например, аналогичной DD4) и определяется уровнем управляющего напряжения, поступающего с делителя R6 и R7.

Уровень опорного напряжения смещения UREF требуемый для схемы первичного преобразователя на ОУ DD2.1 формируется резистором R16 задающим ток стабилизации микросхемы DD5 (например, аналогичной DD4).

В представленном варианте схемы узла сопряжения 16 применяются оптронные изоляторы DD7 и DD8 с одинаковыми передаточными характеристиками и параметрами. На выходе операционного усилителя (ОУ) DD2.2 максимальный ток протекания в цепи последовательного прямого включения светодиодов оптронов DD7 и DD8 ограничивается резистором RIO, при этом равны и потоки излучения, генерируемые светодиодами оптронов DD7 и DD8. Для компенсации нелинейности светодиодных элементов оптронов DD7 и DD8, в цепи отрицательной обратной связи на инвертирующий вход ОУ DD2.2 подается выходное напряжение с резистора R11, уровень которого определяется протекающим током с эмиттера фототранзистора оптрона DD7.

Напряжение на выходе ОУ DD2.2 с отрицательной обратной связью, непрерывно стремится к тому, чтобы потенциал на инвертирующем входе был равен потенциалу на неинвертирующем входе, что позволяет получить линейный коэффициент передачи между входным уровнем напряжения на положительном входе ОУ DD2.2 и выходными уровнями напряжений на резисторах R11 и R12. Устанавливая равными номиналы резисторов R11 и R12, а также напряжения питаний блока сопряжения VCC и VDD, достигается единичный коэффициент передачи K=1, т.е. схема гальванической развязки работает в режиме повторителя Vout=Vin. Указанный вариант схемы узла сопряжения 16 представляет собой дешевый способ развязки с линейной характеристикой, однако в ней частично сохраняется нелинейность и присущие оптронам дрейф и точность коэффициента передачи. Для минимизации искажений и дрейфа коэффициента передачи и смещения номиналы резисторов R11 и R12 подбираются в пределах десятков кОм. Максимальное напряжение развязки ограничивается напряжениями пробоя оптронов и изоляцией вспомогательной обмотки питания ISO. График зависимости выходного сигнала задания опорного сигнала Vout от входного сигнала управления Vin представлен на Фиг. 4А. Требуемая точность, суммарная потребляемая мощность и температурная стабильность коэффициента передачи К определяется допуском и характеристиками применяемых элементов в схеме.

Альтернативой применения оптронных изоляторов могут также служить развязывающие буферные усилители с модуляцией-демодуляцией (МДМ) или изолирующие операционные усилители. При этом наличие дополнительной вспомогательной обмотки питания ISO не исключается.

Для выделения постоянной составляющей из сигнала Vin в случае широтно-импульсного управления (ШИМ) предусмотрены два фильтра низких частот R1-C1 и R5-C2, первый из которых подавляет внешнюю высокочастотную помеху, а второй непосредственно формирует постоянный уровень. Для примера на Фиг. 4Б показан график временной зависимости выходного сигнала задания опорного сигнала Vout от входного Vin в случае ШИМ управления со скважностью Q импульсов равной 50%.

Различные варианты исполнения узла сопряжения 16 в составе схемы блока сопряжения 17 позволяют преобразовывать по уровню и комбинировать аналоговые и широтно-импульсные способы управления с разными коэффициентами и функциями передачи входного уровня сигнала.

Возможны и другие модификации предложенного устройства, не влияющие на сущность предлагаемой полезной модели. Например, в варианте модификации устройства источника питания на Фиг. 5 в составе блока сопряжения 17 имеется микроконтроллер 19 и интерфейсный модуль 20. Такое исполнение позволяет реализовать цифровые алгоритмы управления как по аналоговому уровню входного сигнала Vin, так и в формате различных протоколов обмена на базе популярных интерфейсов обмена DALI, RS485 и т.д.

Результаты испытаний действующего вторичного источника электропитания на базе предлагаемого решения показали высокие эксплуатационные характеристики, а именно стабильность выходных параметров и широкий диапазон рабочих температур.

1. Вторичный источник электропитания с гальванически развязанным управлением, состоящий из первичного блока преобразователя или блока преобразователя, вторичного блока преобразователя, трансформатора для передачи энергии и гальванической развязки между цепями по входу и выходам или дросселя для передачи энергии между цепями по входу и выходам, схемы стабилизации по току или напряжению на выходе, узла вывода опорного сигнала требуемого для внешнего или внутреннего регулирования выходными параметрами, отличающийся тем, что содержит блок сопряжения, который обеспечивает гальванически развязанное аналоговое или комбинированное аналоговое и широтно-импульсное управление с заданной функцией передачи уровня входного сигнала управления на узел вывода опорного сигнала.

2. Вторичный источник электропитания с гальванически развязанным управлением по п. 1, отличающийся тем, что содержит дополнительную вспомогательную обмотку питания для блока сопряжения, который обеспечивает линейную функцию передачи уровня входного сигнала управления на узел вывода опорного сигнала и состоит из стабилизатора источника опорного напряжения и узла сопряжения с развязкой.

3. Вторичный источник электропитания с гальванически развязанным управлением по п. 2, отличающийся тем, что линейный коэффициент передачи выходного сигнала со схемы преобразователя уровня входного сигнала управления на узел вывода опорного сигнала обеспечивается применением оптронных изоляторов с одинаковыми передаточными характеристиками и параметрами в схеме узла сопряжения с развязкой.

4. Вторичный источник электропитания с гальванически развязанным управлением по п. 3, отличающийся тем, что в составе узла сопряжения имеется микроконтроллер и интерфейсный модуль для реализации цифровых алгоритмов управления, как по аналоговому уровню входного сигнала, так и в формате различных протоколов обмена на базе популярных интерфейсов обмена.