Импульсный преобразователь напряжения

Полезная модель относится к технике вторичных источников питания и предназначена для питания коммутирующих усилителей мощности - усилителей класса Е [1]. Задачей полезной модели является обеспечение защиты от переполюсовки с минимальными дополнительными потерями. Импульсный преобразователь напряжения содержит силовой трансформатор, подключенный первым выводом первичной обмотки к входной шине U_перв устройства, включенные последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора электронный ключ и первый датчик контроля тока, выпрямитель, подключенный входом к выводам вторичной обмотки силового трансформатора, аттенюатор, подключенный входом к выходу выпрямителя, широтно-импульсный модулятор, подключенный выходом к управляющему входу электронного ключа, компаратор, подключенный выходом к первому входу модулятора, генератор пилообразных импульсов, подключенный выходом ко вторым входам модулятора и компаратора, пороговое устройство, подключенное входом к выходу первого датчика тока, а выходом подключенное к третьему входу модулятора, усилитель сигнала ошибки, подключенный выходом к первому входу компаратора, и схему сервисного питания, подключенную соответствующими входами к шинам U_перв и U_втор устройства, а выходом подключенную к шине питания компонентов устройства U_сеpв, второй датчик контроля тока, подключенный соответствующими входами к выходу выпрямителя и выходной шине U_втор, второе пороговое устройство, подключенное входом к выходу второго датчика тока, аттенюатора и второго порогового устройства, а выходом подключенный к входу усилителя сигнала ошибки, также в него введены электронный ключ на полевом транзисторе, входом и выходом подключенный соответственно к шине U_перв и входу силового трансформатора, ограничитель напряжения на полупроводниковом стабилитроне, подключенный входом и выходом соответственно к выходу и управляющему входу электронного ключа, индикатор переполюсовки и ограничитель на диоде, подключенные соответствующими выводами к шине U_перв и входу силового трансформатора.

Полезная модель относится к технике вторичных источников питания и предназначена для питания коммутирующих усилителей мощности - усилителей класса Е [1].

Известен импульсный преобразователь, используемый в качестве эффективного вторичного источника питания усилителей мощности класса Е [2], схема которого приведена на фиг.1.

Импульсный преобразователь напряжения содержит силовой трансформатор 2, подключенный первым выводом первичной обмотки к входной тине U_перв устройства, включенные последовательно с первичной обмоткой трансформатора 2 электронный ключ 3 и первый датчик контроля тока 8, выпрямитель 7, подключенный входом к вторичной обмотке трансформатора 2, аттенюатор 12, подключенный входом к выходу выпрямителя 7, широтно-импульсный модулятор 4, подключенный выходом к управляющему входу ключа 3, компаратор 5, подключенный выходом к первому входу модулятора 4, генератор пилообразных импульсов 1, подключенный выходом ко вторым входам модулятора 4 и компаратора 5, пороговое устройство 9, подключенное входом к выходу первого датчика тока 8, а выходом подключенное к третьему входу модулятора 4, усилитель сигнала ошибки 10, подключенный выходом к первому входу компаратора 5, и схему сервисного питания 6, подключенную соответствующими входами к шинам U_перв и U_втор устройства, а выходом подключенную к шине питания компонентов устройства U_серв , второй датчик контроля тока 11, подключенный соответствующими входами к выходу выпрямителя 7 и выходной шине U_втор второе пороговое устройство 14, подключенное входом к выходу второго датчика тока 11, сумматор 13, подключенный соответствующими входами к выходам второго датчика тока 11, аттенюатора 12 и второго порогового устройства 14, а выходом подключенный к входу усилителя сигнала ошибки 10.

Недостатком этого устройства с точки зрения его использования для питания усилителей мощности класса Е является отсутствие защиты от возможной перегюлюсовки первичного напряжения U_перв, приводящей к повреждению элементов, включенных в первичную цепь силового трансформатора 2, в первую очередь - электронного ключа 4.

Простым способом защиты от напряжения обратной полярности является последовательное включение диода в шину U_перв.

Применение последовательного диода приводит к увеличению потерь, из-за достаточно большого падения напряжения на диоде, что в свою очередь вызывает проблемы с отводом выделяемого на диоде тепла.

Задачей полезной модели является обеспечение защиты от переполюсовки с минимальными дополнительными потерями.

Для этого в импульсный преобразователь напряжения (см. фиг.2), содержащий силовой трансформатор 2, подключенный первым выводом первичной обмотки к входной шине U_перв устройства, включенные последовательно с первичной обмоткой трансформатора 2 электронный ключ 3 и первый датчик контроля тока 8, выпрямитель 7, подключенный входом к вторичной обмотке трансформатора 2, аттенюатор 12, подключенный входом к выходу выпрямителя 7, широтно-имнульсный модулятор 4, подключенный выходом к управляющему входу ключа 3, компаратор 5, подключенный выходом к первому входу модулятора 4, генератор пилообразных импульсов 1, подключенный выходом ко вторым входам модулятора 4 и компаратора 5, пороговое устройство 9, подключенное входом к выходу первого датчика тока 8, а выходом подключенное к третьему входу модулятора 4, усилитель сигнала ошибки 10, подключенный выходом к первому входу компаратора 5, и схему сервисного питания 6, подключенную соответствующими входами к шинам U_перв и U_втор устройства, а выходом подключенную к шине питания компонентов устройства U_серв, второй датчик контроля тока 11, подключенный соответствующими входами к выходу выпрямителя 7 и выходной шине U_втор, второе пороговое устройство 14, подключенное входом к выходу второго датчика тока 11, сумматор 13, подключенный соответствующими входами к выходам второго датчика тока 11, аттенюатора 12 и второго порогового устройства 14, а выходом подключенный к входу усилителя сигнала ошибки 10, введены электронный ключ на полевом транзисторе 16, входом и выходом подключенный соответственно к шине U_перв и входу силового трансформатора 2, ограничитель напряжения на полупроводниковом стабилитроне 17, подключенный входом и выходом соответственно к выходу и управляющему входу электронного ключа 16, индикатор переполюсовки 15 и ограничитель на диоде 18, подключенные соответствующими выводами к шине U_перв и входу силового трансформатора 2.

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новизна», т.к. отличается от прототипа наличием новых функциональных элементов и новых связей между элементами.

Преобразователь работает следующим образом.

После подачи первичного напряжения на шину U_перв электронный ключ 16 открыт, режим отпирания обеспечивается ограничителем напряжения на стабилитроне 17, который при изменении входного напряжения в широких пределах оставляет уровень на входе ключа 16 неизменным, индикатор переполюсовки 15 не показывает наличие приложенного обратного напряжения, появляется напряжение на шине U_серв и начинает работать генератор пилообразных импульсов 1. С началом очередного импульса сигналом модулятора 4 открывается электронный ключ 3 на время, пока уровень напряжения к пилообразном импульсе не сравняется с уровнем выходного сигнала усилителя сигнала ошибки 10, что фиксируется компаратором 5, по сигналу которого модулятор 4 закрывает электронный ключ 3. Периодическое открывание электронного ключа 3 вызывает в первичной обмотке силового трансформатора 2, который наводит во вторичной обмотке переменное напряжение. После выпрямителя 7 получается постоянное напряжение U_втор с уровнем, пропорциональным уровню входного напряжения U_перв, отношению числа витков во вторичной и первичной обмотках трансформатора 2 и длительности интервалов, в течение которых открыт электронный ключ 3.

Длительность этих интервалов и, следовательно, выходное напряжение U_втор устанавливаются такими, что при изменениях входного напряжения U_перв и нагрузки оставалась бы постоянной снимаемая с выхода сумматора 13 сумма выходных сигналов второго датчика тока 11 и аттенюатора 12 с точностью некоторой ошибки, действующей на вход усилителя 10.

При холостом ходе для предотвращения появления предельно высоких уровней выходного напряжения U_втор, опасных для подключаемой аппаратуры, отсутствие сигнала второго датчика тока 11 компенсируется сигналом сработавшего при этом второго порогового устройства 14.

При переполюсовке электронный ключ 16 закрывается, безопасный уровень напряжения на последующих элементах преобразователя определяется выходным напряжением ограничителя 18, безопасное напряжение на электронном ключе 16 задается ограничителем 17, а к индикатору переполюсовки 15 приложено напряжение, равное разности входного напряжения U_перв и выходного напряжения ограничителя 18, в связи с чем он включен.

Таким образом, предлагаемое решение защищает схему преобразователя от повреждений при переполюсовке U_перв.

Потери в преобразователе в основном определяются сопротивлением диодов выпрямителя 7. Электронный ключ 16 на полевом транзисторе имеет сопротивление на порядок меньше, чем диоды выпрямителя 7, т.е. увеличение потерь при использовании данного решения не существенно.

Источники информации

1. Design and Development of the Class E RF Power Amplifier Prototype by Using a Power MOSFET. University of Kansas http://cresis.ku.edu Technical Report CReSIS TR 129 July 23, 2007.

2. Патент на полезную модель 78992 «Импульсный преобразователь напряжения».

Импульсный преобразователь напряжения, содержащий силовой трансформатор, подключенный первым выводом первичной обмотки к входной шине U_перв устройства, включенные последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора электронный ключ и первый датчик контроля тока, выпрямитель, подключенный входом к выводам вторичной обмотки силового трансформатора, аттенюатор, подключенный входом к выходу выпрямителя, широтно-импульсный модулятор, подключенный выходом к управляющему входу электронного ключа, компаратор, подключенный выходом к первому входу модулятора, генератор пилообразных импульсов, подключенный выходом ко вторым входам модулятора и компаратора, пороговое устройство, подключенное входом к выходу первого датчика тока, а выходом подключенное к третьему входу модулятора, усилитель сигнала ошибки, подключенный выходом к первому входу компаратора, и схему сервисного питания, подключенную соответствующими входами к шинам U_перв и U_втор устройства, а выходом подключенную к шине питания компонентов устройства U_серв, второй датчик контроля тока, подключенный соответствующими входами к выходу выпрямителя и выходной шине U_втор, второе пороговое устройство, подключенное входом к выходу второго датчика тока, аттенюатора и второго порогового устройства, а выходом подключенный к входу усилителя сигнала ошибки, отличающийся тем, что в него введены электронный ключ на полевом транзисторе, входом и выходом подключенный соответственно к шине U_перв и входу силового трансформатора, ограничитель напряжения на полупроводниковом стабилитроне, подключенный входом и выходом соответственно к выходу и управляющему входу электронного ключа, индикатор переполюсовки и ограничитель на диоде, подключенные соответствующими выводами к шине U_перв и входу силового трансформатора.