Обратноходовой преобразователь напряжения с защитным отключением при перенапряжении на входе
Обратноходовой преобразователь напряжения с защитным отключением при перенапряжении на входе относится к преобразовательной технике и может быть использован в конструкции вторичных источников питания, предназначенных для работы в условиях нестабильности питающей электросети. Технический результат заявленного решения заключается в повышении надежности преобразователя, которая достигается за счет введения блока контроля напряжения и средства временного отключения питания, соединенного с входом управляющего контроллера. Принцип действия полезной модели заключается в использовании транзистора в качестве средства защитного отключения, при этом напряжение на транзисторе в выключенном состоянии преобразователя значительно (примерно вдвое) ниже, чем возникающие при работе схемы импульсное напряжение, при том же значении питающего напряжения на входах преобразователя. 3 п.ф., 3 илл.
- Область техники
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в конструкции вторичных источников питания, особенно в условиях нестабильности питающей электросети.
- Известный уровень техники
Известен обратноходовой преобразователь с контролем тока в первичной и вторичной цепях (WO 2004042906 A1, МПК H02M 3/335, опубликовано 21.05.2004).
Недостатком преобразователя является режим работы при непрерывном токе, что приводит к повышенным потерям в выпрямительном диоде и уменьшению коэффициента полезного действия.
Известен стабилизатор переменного напряжения с защитой от перенапряжений, недостатком которого является сложность отключающего устройства с независимым маломощным источником питания (RU 2245574, МПК G05F 1/14, опубликовано 27.01.2005).
Известен обратноходовой преобразователь с переключением при нулевом напряжении (EP 0757428, МПК H02M 1/08, опубликован 05.02.1997).
Недостатком преобразователя является неконтролируемый рост тока силового ключа в пусковом режиме при большой входной емкости и малом активном сопротивлении обмоток трансформатора, что характерно для обратноходовых преобразователей с относительно большой мощностью.
Известно устройство защиты радиоэлектронной аппаратуры от перенапряжений, недостатком, которого следует признать наличие дополнительного коммутирующего элемента (RU 2408121, МПК H02H 9/04, опубликовано 27.12.2010).
Известно устройство автоматической защиты электроприемников от аварийных значений напряжений в электрической сети, содержащее узел коммутации, узел индикации, выпрямитель напряжения сети, делитель напряжения, два компаратора, формирователь порога верхнего уровня, формирователь порога нижнего уровня и микропроцессор (RU 2262113, МПК G01R 19/00, опубликован 10.10.2005).
Недостатком известного решения является отсутствие возможности автоматического возобновления электрического питания электроприемника.
Известен квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении, содержащий трансформатор, токовый датчик, силовой ключ и контроллер, второй вывод обмотки управления трансформатора соединен со вторым входным выводом преобразователя через параллельно включенные первый резистор и конденсатор и через соединенные последовательно диод и второй резистор (RU 139333, МПК H02M 3/338, опубликовано 10.04.2014).
Недостаток известного преобразователя в том, что кратковременное превышение входного напряжения выше расчетного на ключевых элементах, приводит к выходу преобразователя из строя.
Последний из описанных аналогов принят в качестве прототипа, так как совпадает с заявленным решением по большинству существенных признаков.
Технический результат заявленного решения заключается в повышении надежности преобразователя, которая достигается за счет отключения силового транзистора преобразователя в моменты превышения допустимого значения входного питающего напряжения, реализуемого введением блока контроля напряжения соединенного с выключающим входом контроллера.
- Подробное описание решения
Устройство характеризуется следующей совокупностью существенных признаков:
1. Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжения, содержащий подключенные к первому и второму входным выводам преобразователя, последовательно соединенные первичную обмотку трансформатора, токовый датчик и силовой ключ, управляющий вход которого подключен к выходу контроллера, один вход которого соединен с вторым входным выводом преобразователя, а вход определения нулевого напряжения соединен с первым выводом обмотки управления, при этом вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод подключена к выходному конденсатору, подключенному к выходным выводам преобразователя, второй вывод обмотки управления трансформатора соединен со вторым входом преобразователя через параллельно включенные первый резистор и конденсатор, и через последовательно соединенные диод и второй резистор с точкой соединения силового ключа и датчика тока, отличающийся тем, что содержит блок контроля напряжения, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму входам преобразователя, а выход упомянутого блока контроля соединен с выключающим входом контроллера.
В варианте заявленного устройства блок контроля может включать последовательно соединенные первый и второй резисторы, включенные между входными выводами преобразователя, при этом параллельно второму резистору последовательно подключены стабилитрон и третий резистор, точка соединения которых подключена к выключающему входу контроллера.
В варианте AC/DC выполнения обратноходового преобразователя в него введены два диода, диодный мост и сетевой фильтр, входы которого подключены к первому и второму входным выводам преобразователя, а выходы к входам диодного моста, первый выход которого соединен с последовательно соединенными первичной обмоткой трансформатора, силовым ключом и токовым датчиком, а второй выход с общей точкой соединения блока контроля входного напряжения, контроллера, токового датчика, конденсатора и первого резистора, при этом первый вход блока контроля входного напряжения соединен с объединенными катодами двух диодов, подключенных анодами к первому и второму входным выводам преобразователя.
- Перечень графических материалов.
На фиг. 1 - структурная схема устройства;
на фиг. 2 - обратноходовой преобразователь, показанный на фиг. 1 с предпочтительным вариантом выполнения блока контроля напряжения;
на фиг. 3 - вариант обратноходового АС/ДС - преобразователя с сетевым фильтром и диодным мостом на входе.
Принцип действия обратноходового преобразователя с защитным отключением при перенапряжении на входе заключается в том, что для защитного отключения преобразователя используется транзистор 3. При этом, напряжение на транзисторе 3 в выключенном состоянии преобразователя значительно (примерно вдвое) ниже, чем возникающее при работе схемы импульсное напряжение, при том же значении питающего напряжения на входах преобразователя.
Обратноходовой преобразователь напряжения с защитным отключением при перенапряжении на входе (фиг. 1) содержит подключенные к первому 11 и второму 12 входным выводам преобразователя последовательно соединенные первичную обмотку 21 трансформатора 2, токовый датчик 4 и силовой ключ 3, управляющий вход которого подключен к выходу 53 контроллера 5, один вход 51 которого соединен со вторым входным выводом 12 преобразователя, а вход 52 определения нулевого напряжения соединен с первым выводом обмотки управления 22, при этом вторичная обмотка 23 трансформатора через выпрямительный диод 6 подключена к выходному конденсатору 7, подключенному к выходным выводам 81 и 82 преобразователя, второй вывод обмотки управления 22 трансформатора 2 соединен со вторым входным выводом 12 преобразователя через параллельно включенные первый резистор 9 и конденсатор 10 и через соединенные последовательно диод 11 и второй резистор 12 с точкой соединения силового ключа 3 и датчика тока 4, блок 13 контроля напряжения, первый 131 и второй 132 входы которого подключены соответственно к первому 11 и второму 12 входам преобразователя, а выход 13 3 блока контроля напряжения 13 соединен с выключающим входом 55 контроллера 5.
Блок контроля 13 по второму варианту обратноходового преобразователя постоянного напряжения (фиг. 2) содержит последовательно соединенные первый 18 и второй 19 резисторы, включенные между входными выводами 11 и 12 преобразователя, и последовательно подключенные параллельно второму резистору 19 стабилитрон 20 и третий резистор 21, точка соединения которых выводом 13 3 подключена к выключающему входу 55 контроллера 5.
Обратноходовой преобразователь по третьему варианту для питания от переменного тока (фиг. 3) с двумя диодами 16 и 17, диодным мостом 15 и сетевым фильтром 14 входы которого подключены к первому 11 и второму 12 входным выводам преобразователя, а выходы к входам диодного моста 15, положительный выход которого соединен с последовательно соединенными первичной обмоткой 21 трансформатора 2, силовым ключом 3 и токовым датчиком 4, а отрицательный выход диодного моста соединен с общей точкой соединения второго входа 132 блока контроля входного напряжения 13, входа 51 контроллера 5, токового датчика 4, конденсатора 10 и первого резистора 9, при этом первый вход 131 блока контроля входного напряжения 13 соединен с объединенными катодами двух диодов 16 и 17, подключенных анодами к первому 11 и второму 12 входным выводам преобразователя.
- Описание работы.
Основной вариант преобразователя (Фиг. 1).
На входы 131 и 132 блока 13 поступает входное напряжение преобразователя. При увеличении этого напряжения выше допустимого уровня, блок 13 вырабатывает сигнал отключения преобразователя, который с выхода 133 поступает на вход 55 контроллера 5. По этому сигналу контроллер прекращает выработку импульсов управления транзистором 3, и переводит преобразователь в выключенное состояние.
Напряжение на транзисторе 3 в выключенном состоянии, т.е. при отсутствии протекания тока в обмотках трансформатора 2 преобразователя значительно (примерно вдвое) ниже, чем возникающее при работе схемы импульсное напряжение, при том же значении питающего напряжения на входах преобразователя.
Максимальное напряжение на силовом ключе 3 во время работы преобразователя вычисляется по формуле:
U3=Uвх+U7/K+U
, где
U3 - напряжение в закрытом состоянии на транзисторе 3,
Uвх - напряжение между первым 11 и вторым 12 входами преобразователя,
K - коэффициент трансформации трансформатора 2,
U7 - напряжение выходного конденсатора 7 (напряжение между выходами преобразователя 81 и 82),
U - напряжение индуктивного выброса на первичной обмотке 21, трансформатора 2, возникающее из-за не идеальности трансформатора.
Максимальное напряжение на диоде 6 при работе преобразователя вычисляется по формуле:
U6=U7+Uвх*K+U
, где
U3 - напряжение в закрытом состоянии на транзисторе 3,
Uвх - напряжение между первым 11 и вторым 12 входами преобразователя,
K - коэффициент трансформации трансформатора 2
U7 - напряжение выходного конденсатора 7 (напряжение между выходами преобразователя 81 и 82),
U - напряжение индуктивного выброса на вторичной обмотке 22 трансформатора 2 г возникающее из-за неидеальности трансформатора.
Напряжение на силовом ключе 3 в выключенном состоянии преобразователя определяется как:
U3 =Uвх
Максимальное напряжение на диоде 6 в выключенном состоянии преобразователя определяется как:
U6=U7,
при длительном сохранении выключенного состояния преобразователя напряжение U6 на диоде 6 уменьшается до 0, за счет разряда конденсатора 7.
Таким образом, напряжение на силовом ключе 3 в выключенном состоянии преобразователя меньше, чем при его работе на величину U7/K+U, а напряжение на диоде 6 меньше на величину Uвх *K+U, либо, при длительном сохранении выключенного состояния преобразователя, уменьшается до 0.
Эта разница и используется для повышения устойчивости схемы преобразователя к увеличению входного напряжения. В вариантном исполнении блока контроля напряжения (фиг. 2), при нормальном значении входного напряжения, ток через стабилитрон 20 и соответственно резистор 21 не протекает. Напряжение на резисторе 21 равно 0, и выключающий сигнал, поступающий на вход 55 контроллера 5, отсутствует, преобразователь работает. При увеличении входного напряжения ток, протекающий через резисторы 18 и 19, увеличивается, напряжение, выделяющееся на резисторе 19, также увеличивается. При достижении напряжением на резисторе 19 уровня пробоя стабилитрона 20 через стабилитрон 20 и, соответственно, резистор 21 начинает протекать ток. На резисторе 21 выделяется напряжение, поступающее на вход 55 контроллера 5. При достижении этим напряжением уровня, достаточного для выключения контроллера 5, преобразователь отключается и находится в выключенном состоянии до момента возвращения уровня входного напряжения к нормальному значению.
Отличие в работе преобразователя по третьему варианту, приведенному на фиг. 3, заключается в том, что для питания преобразователя на входные выводы 11 и 12 подается переменное напряжение, для выпрямления которого используется диодный мост 15, а для уменьшения помех выдаваемых преобразователем в сеть применяется сетевой фильтр 14. В работе защиты от перенапряжения используется свойство сетевого фильтра вносить временную задержку в прохождение высокочастотного напряжения. Импульсное перенапряжение с входных выводов 11 и 12 преобразователя поступает на вход блока 13 через диоды 16 и 17 без задержки, а на элементы схемы преобразователя, прежде всего транзистор 3, через сетевой фильтр и диодный мост с задержкой, определяемой сетевым фильтром. Таким образом, блок 13 вырабатывает отключающий сигнал, а контроллер 5 отключает транзистор 3 ранее, чем на транзистор 3 поступит импульс повышенного напряжения. Вследствие этого устойчивость преобразователя к коротким импульсам повышенного напряжения, по сравнению с базовым вариантом повышается.
- Промышленная применимость
Приведенные в описании конструктивные особенности обратноходового преобразователя напряжения с защитным отключением при перенапряжении на входе не являются исчерпывающими. Могут быть использованы эквивалентные признаки, позволяющие обеспечить достижение указанного технического результата. На основе вышеизложенного описания был изготовлен опытный образец обратноходового преобразователя, получен положительный результат испытаний этого образца в различных режимах.
1. Обратноходовой преобразователь постоянного напряжения с защитным отключением при перенапряжении на входе, содержащий подключенные к первому и второму входным выводам преобразователя последовательно соединенные первичную обмотку трансформатора, токовый датчик и силовой ключ, управляющий вход которого подключен к выходу контроллера, один вход которого соединен со вторым входным выводом преобразователя, а вход определения нулевого напряжения соединен с первым выводом обмотки управления, при этом вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод подключена к выходному конденсатору, подключенному к выходным выводам преобразователя, второй вывод обмотки управления трансформатора соединен со вторым входом преобразователя через параллельно включенные первый резистор и конденсатор и через последовательно соединенные диод и второй резистор с точкой соединения силового ключа и датчика тока, отличающийся тем, что содержит блок контроля напряжения, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму входам преобразователя, а выход упомянутого блока контроля соединен с выключающим входом контроллера.
2. Обратноходовой преобразователь постоянного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что блок контроля включает последовательно соединенные первый и второй резисторы, включенные между входными выводами преобразователя, при этом
параллельно второму резистору последовательно подключены стабилитрон и третий резистор, точка соединения которых подключена к выключающему входу контроллера.
3 .Обратноходовой преобразователь постоянного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что в него введены два диода, диодный мост и сетевой фильтр, входы которого подключены к первому и второму входным выводам преобразователя, а выходы к входам диодного моста, первый выход которого соединен с последовательно соединенными первичной обмоткой трансформатора, силовым ключом и токовым датчиком, а второй выход с общей точкой соединения блока контроля входного напряжения, контроллера, токового датчика, конденсатора и первого резистора, при этом первый вход блока контроля входного напряжения соединен с объединенными катодами двух диодов, подключенных анодами к первому и второму входным выводам преобразователя.
