Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения с защитой

 

Использование: во вторичных источниках электропитания для преобразования и стабилизации постоянного напряжения. Сущность изобретения: преобразователь содержит сетевой выпрямитель с фильтром, регулируемый однотактный преобразователь и систему управления и защиты. В преобразователь введен релаксационного генератора, дополнительный однотактный преобразователь, второй выпрямительный диод, дополнительный фильтр и компенсационный стабилизатор напряжения. Система управления и защиты обеспечивает мягкий запуск с заданной скоростью, определяемой источником фиксированного тока. При этом на этапе запуска происходит частотно-импульсная модуляция импульсов управления регулируемым однотактным преобразователем с последующим плавным переходом в режим широтно-импульсной модуляции после запуска. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания.

Известен преобразователь постоянного напряжения с защитой от перегрузок по току, содержащий источник питания, силовой коммутатор, выходной RC-фильтр, датчик тока, генератор тактовых импульсов, два формирователя коротких импульсов, счетчик импульсов, одновибратор, два RS-триггера, генератор пилообразного напряжения, компаратор, два элемента ИЛИ, пороговый элемент, источник напряжения задания и источник опорного напряжения [1].

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности работы устройства в широком диапазоне нагрузок от холостого хода до короткого замыкания вследствие того, что в устройстве применена широтно-импульсная модуляция (ШИМ) для регулирования выходного напряжения, которая ограничивает возможный диапазон изменения нагрузок предельной скважностью при ШИМ-регулировании на частоте преобразования, так как минимальная длительность импульса, пропускаемого силовым транзистором, ограничена.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является стабилизированный преобразователь постоянного напряжения с защитой, содержащий сетевой выпрямитель с фильтром, регулироваемый однотактный преобразователь, два выпрямительных диода, выходной и дополнительный выходной фильтры, систему управления и защиты, включающую в себя первый и второй RS-триггеры, датчик напряжения, два интегратора, генератор постоянного тока, генератор опорного тока, узел суммирования сигналов управления, узел мягкого запуска, усилитель мощности, цепь сброса, два пороговых элемента, два элемента И [2].

Недостатком этого устройства является сравнительно медленный выход (порядка n 1 c, где n = 2-5) устройства в установившейся режим после подключения устройства к сети и соответственно медленное (n 1 с, где n = 2-5) восстановление установившегося значения выходного напряжения после снятия перегрузки на выходе устройства.

Недостатком этого устройства является также отсутствие возможности его дистанционного включения и выключения.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей стабилизированию преобразователя путем быстрого (n 1 мc, где n = 3-5) плавного запуска устройства в установившейся режим после подключения устройства к сети и такое же быстрое восстановление установившегося значения выходного напряжения после снятия перегрузки или короткого замыкания на выходе, а также путем обеспечения возможности дистанционного включения и выключения выходного напряжения.

Эта цель достигается тем, что в стабилизированный преобразователь постоянного напряжения с защитой, содержащий сетевой выпрямитель с фильтром, подключенный выходом к силовому входу регулируемого однотактного преобразователя, выход которого через первый выпрямительный диод, включенный в прямом направлении, подключен к входу выходного фильтра, предназначенного для подключения к нагрузке, систему управления и защиты, включающую в себя датчик тока, входом подключенный к силовому входу регулируемого однотактного преобразователя, а выходом подключенный к входу первого порогового элемента, выходом подключенного к R-входу первого RS-триггера, второй RS-триггер, первый и второй элементы И, усилитель мощности, датчик напряжения, узел мягкого запуска, генератор опорного тока, узел суммирования сигналов управления, генератор постоянного тока, два интегратора, два разделительных диода, цепь сброса, второй пороговый элемент, пороговый элемент с гистерезисом, причем вход датчика напряжения предназначен для подключения к нагрузке, выходы генератора опорного тока, датчика напряжения и узла мягкого запуска подключены к входам узла суммирования управляющих сигналов, выход которого подключен к входу первого интегратора, выход генератора постоянного тока подключен к входу второго интегратора, входы сброса первого и второго интеграторов подключены соответственно через первый и второй разделительные диоды к выходу цепи сброса, вход которой подключен к выходу второго RS-триггера, выход первого интегратора подсоединен к входу порогового элемента с гистерезисом, выход второго интегратора подсоединен к входу второго порогового элемента с гистерезисом, подключен к первому входу первого элемента И, к инверсным S-входам первого и второго RS-триггеров, к первому входу второго элемента И, выход второго порогового элемента соединен с вторым входом второго элемента И, выход которого подключен к R-входу второго RS-триггера, выход первого RS-триггера подсоединен к второму входу первого элемента И, выход подключен к входу усилителя мощности, выход которого подключен к управляющему входу регулируемого однотактного преобразователя, введены релаксационный генератор, дополнительный однотактный преобразователь, второй выпрямительный диод, дополнительный фильтр, компенсационный стабилизатор напряжения, а система управления и защиты снабжена одновибратором, двумя буферными элементами НЕ, причем вход релаксационного генератора подключен к выходу сетевого выпрямителя с фильтром, а выход релаксационного генератора подключен к управляющему входу дополнительного однотактного преобразователя, силовой вход которого подсоединен к выходу сетевого выпрямителя с фильтром, выход дополнительного однотактного преобразователя через второй выпрямительный диод, включенный в обратном направлении, подключен к входу дополнительного фильтра, выход которого подключен к входу компенсационного стабилизатора напряжения, выход компенсационного стабилизатора напряжения подсоединен к выводу электропитания системы управления и защиты, вход оновибратора подключен к выходу первого RS-триггера, выход одновибратора подсоединен к первому инверсному входу сброса узла мягкого запуска, вход дистанционного управления устройства соединен через первый буферный элемент НЕ с вторым инверсным входом сброса узла мягкого запуска и через второй буферный элемент НЕ - с третьим входом первого элемента И.

Кроме того, релаксационный генератор снабжен восемью резисторами, двумя конденсаторами, двумя диодами, двумя транзисторами и транзисторной оптопарой, причем одной из обкладок первый и второй конденсаторы, эмиттер транзистора транзисторной опопары и катод диода транзисторной оптопары подсоединены к общей шине релаксационного генератора, другой обкладкой первый конденсатор подключен к эмиттерам первого и второго транзисторов через первый резистор к входу релаксационного генератора и через второй резистор - к базе первого транзистора, база второго транзистора подсоединена через третий резистор к входу релаксационного генератора и через четвертый резистор - к общей шине релаксационного генератора, первый диод, подсоединенный своим катодом к эмиттеру второго транзистора, включен параллельно переходу база-эммитер второго транзистора, другой обкладкой второй конденсатор подключен к катоду второго диода, к аноду диода транзисторной оптопары, через пятый резистор к общей шине релаксационного генератора и через шестой резистор к коллектору второго транзистора, коллектор первого транзистора подключен через седьмой резистор к аноду второго диода и подсоединен к выходу релаксационного генератора, база первого транзистора подключена через восьмой резистор к коллектору транзисторной оптопары.

На фиг.1 представлена функциональная схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения с защитой; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений стабилизированного преобразователя; на фиг.3 - временные диаграммы токов стабилизированного преобразователя; на фиг.4 - принципиальная схема релаксационного генератора.

Функциональная схема стабилизированного преобразователя содержит сетевой выпрямитель 1 с фильтром, регулируемый однотактный преобразователь 2, релаксационный генератор 3, выходной фильтр 4, нагрузку 5, дополнительный однотактный преобразователь 6, дополнительный фильтр 7, компенсационный стабилизатор напряжения 8, первый выпрямительный диод 9, второй выпрямительный диод 10, систему управления и защиты 11, содержащую первый буферный элемент НЕ 12, пороговый элемент с гистерезисом 13, первый 14 и второй 15 пороговый элементы, первый элемент И 16 на три входа, первый 17 и второй 18 RS-триггеры, генератор опорного тока 19, усилитель мощности 20, второй элемент И 21 на два входа, датчик тока 22, цепь сброса 23, разделительные диоды 24 и 25, узел мягкого запуска 26, датчик напряжения 27, одновибратор 28, узел суммирования 29 управляющих сигналов, генератор постоянного тока 30, первый 31 и второй 32 интеграторы, второй буферный элемент НЕ 33.

Выход сетевого выпрямителя 1 с фильтром соединен с силовым входом регулируемого однотактного преобразователя 2, с силовым входом дополнительного однотактного преобразователя 6 и входом 34 релаксационного генератора 3. Выход 35 релаксационного генератора 3 подключен к управляющему входу дополнительного однотактного преобразователя 6.

Выход регулируемого однотактного преобразователя 2 через первый выпрямительный диод 9, включенный в прямом направлении, соединен с входом выходного фильтра 4, своим выходом подключенного к нагрузке 5.

Выход дополнительного однотактного преобразователя 6 через второй выпрямительный диод 10, включенный в обратном направлении, соединен с входом дополнительного фильтра 7, выход которого подключен к входу компенсационного стабилизатора напряжения 8. Выход компенсационного стабилизатора напряжения подключен к выходу электропитания 36 системы управления и защиты 11.

Вход датчика напряжения 27 подключен к нагрузке 5. Выходы датчика напряжения 27, генератора опорного тока 19 и узла мягкого запуска 26 подсоединены к соответствующим входам узла суммирования 29 управляющих сигналов, выход которого подключен к входу первого интегратора 31. Выход первого интегратора 31 подключен к входу порогового элемента с гистерезисом 13. Выход генератора постоянного тока 30 соединен с входом второго интегратора 32, выход которого подключен к входу второго порогового элемента 15. Выход порогового элемента с гистерезисом 13 подключен к второму входу первого элемента И 16, к инверсным S-входам первого 17 и второго 18 RS-триггеров, к первому входу второго элемента И 21. Выход второго порогового элемента 15 подключен к второму входу второго элемента И 21, выход которого соединен с R-входом второго RS-триггера 18. Выход второго RS-триггера 18 соединен с входом цепи сброса 23, выход которой через разделительные диоды 24 и 25 подключен к входам сброса первого 31 и второго 32 интеграторов.

К силовому входу регулируемого однотактного преобразователя 2 подключен вход датчика тока 22, выход которого соединен с входом первого порогового элемента 14. Выход первого порогового элемента 14 соединен с R-входом первого RS-триггера 17, выход которого подключен к первому входу первого элемента И 16 и к входу одновибратора 28. Выход одновибратора 28 подключен к первому входу сброса узла мягкого запуска 26.

Выход первого элемента И 16 подключен к входу усилителя мощности 20, выход которого является выходом 37 системы управления и защиты 11 и подключен к управляющему входу регулируемого однотактного преобразователя 2.

Вход дистанционного управления 38 устройства подключен к входам первого 12 и второго 33 буферных элементов НЕ. Выход первого буферного элемента НЕ 12 подключен к третьему входу первого элемента И 16, выход буферного элемента НЕ 33 подключен к второму инверсному входу сброса узла 26 мягкого запуска.

Релаксационный генератор 3 снабжен восемью резисторами 39-46, двумя диодами 47 и 48, двумя транзисторами 49 и 50, транзисторной битокарой 51, двумя конденсаторами 52 и 53.

Одной из обкладок конденсаторы 52 и 53, эмиттер транзистора транзисторной оптопары 51 и катод диода транзисторной оптопары 51 подсоединены к общей шине 54 релаксационного генератора 3, другой обкладкой конденсатор 52 подключен к эмиттерам транзисторов 49 и 50, через резистор 39 - к входу 34 релаксационного генератора 3 и через резистор 40 - к базе транзистора 49, база транзистора 50 подсоединена через резистор 45 к входу 34 релаксационного генератора 3 и через резистор 46 к общей шине 54 релаксационного генератора, диод 48, подсоединенный своим катодом к эмиттеру транзистора 50, включен параллельно переходу база-эмиттер транзистора 50. Другой обкладкой конденсатор 53 подключен к катоду диода 47, к аноду излучающего диода транзисторной оптопары 51, через резистор 43 к общей шине 54 релаксационного генератора 3 и через резистор 44 к коллектору транзистора 49 подключен через резистор 42 к аноду диода 47 и подсоединен к выходу 35 релаксационного генератора 3, база транзистора 49 подключена через резистор к коллектору транзистора транзисторной оптопары 51.

Резисторы 45 и 46 образуют делитель напряжения, который задает амплитуду импульсов на выходе 35 релаксационного генератора 3. Резистор 39 и конденсатор 52 образуют время задающую цепь, которая определяет период следования импульсов на выходе 35 релаксационного генератора3. Транзистор 50 служит для начального включения через резистор 44 диода транзисторной оптопары 51 с последующим отпиранием транзистора транзисторной оптопары 51 и транзистора 49. Резисторы 40 и 41 обеспечивают режим базовой цепи транзистора 49 как в открытом, так и закрытом состояниях.

Открытый транзистор 49, разряжая конденсатор 52, с одной стороны обеспечивает самоподхват своего насыщенного состояния через резистор 42, диод 47 и транзисторную оптопару 51, а с другой собственно формирует импульсы на выходе 35 релаксационного генератора 3.

Транзисторная оптопара 51 выполняет функцию гальванически развязанного порогового элемента, что исключает возможность "залипания" транзистора 50 в активном режиме.

Конденсатор 53 выполняет роль элемента задержки с тем, чтобы транзистор 50 надежно отпирался. Резистор 43 разряжает конденсатор 53 в паузах между импульсами на выходе 35 релаксационного генератора 3.

Диод 47 выполняет функцию разделительного с тем, чтобы в момент отпирания транзистора 50 не было воздействия последнего на выход 35 релаксационного генератора 3.

Диод 48 обеспечивает возможность заряда конденсатора 52 через резистор 45, что позволяет увеличить частоту следования импульсов на выходе 35 релаксационного генератора 3 при всех прочих равных условиях. Кроме того, диод 48 устраняет паразитную генерацию в базе запертого транзистора 50.

Длительность импульсов на выходе 35 релаксационного генератора 3 определяется с одной стороны емкостью конденсатора 52, а с другой - сопротивлением нагрузки релаксационного генератора 3.

Преобразователь работает следующим образом.

При включении устройства напряжение сети, выпрямленное и сглаженное сетевым выпрямителем 1 с фильтром, подается одновременно на силовые входы регулируемого однотактного преобразователя 2 и дополнительного однотактного преобразователя 6 и на вход 34 релаксационного генератора 3, который с момента подачи на него напряжения формирует последовательность коротких импульсов, следующих непрерывно с постоянной частотой n 1 кГц, где n = 8-12 в зависимости от обеспечения требующейся мощности электропитания системы управления и защиты 11 и поступающих на управляющий вход дополнительного однотактного преобразователя 6. Управляемый последовательностью коротких импульсов с выхода 35, релаксационного генератора 3, дополнительный однотактный преобразователь 6 через выпрямительный диод 10, включенный в обратном направлении, накачивает энергию в дополнительный фильтр 7, напряжение на выходе которого стабилизируется на данном уровне компенсационным стабилизатором напряжения 8. Напряжение с выхода компенсационного стабилизатора напряжения 8 поступает на выход электропитания 36 системы управления и защиты 11.

Таким образом, такая схема электропитания системы управления и защиты 11 обеспечивает последнюю стабильным электропитанием уже через 3-5 мс после включения устройства в сеть и на весь дальнейший период работы до момента прекращения подачи сетевого напряжения на преобразователь. Кроме того, использование дополнительного однотактного преобразователя 6 в качестве отдельного вспомогательного источника электропитания для системы управления и защиты 11 позволяет уменьшить расход меди и габариты вспомогательного источника в целом с одной стороны, а с другой стороны обеспечить стабильность работы системы управления и защиты 11 во всех ее номинальном и аварийных режимах.

Для того, чтобы вывести стабилизированный преобразователь в номинальный установившийся режим с заданной нагрузкой 5, система управления и защиты 11 после подачи на нее электропитания начинает вырабатывать последовательность импульсов фиксированной длительности, но нарастающей частоты следования следующим образом.

При подаче электропитания на систему управления и защиты 11 нулевой сигнал с выхода порогового элемента с гистерезисом 13 установит по инверсным S-входам первый 17 и второй 18 RS-триггеры в единичное состояние.

При подаче электропитания на систему управления и защиты 11 генератор постоянного тока 30 вырабатывает фиксированный ток I_фикс. (см. фиг.3,д), который, поступая на вход второго интегратора 32, задает на выходе последнего постоянную скорость нарастания линейного напряжения до уровня ограничения U_огр (см. фиг.2,а). Напряжение с выхода второго интегратора 32 подается на вход второго порогового элемента 15.

При достижении порогового значения напряжения U_{пор. верх.} на входе второго порогового элемента 15 последний вырабатывает единичный импульс (см. фиг.2,б), длительность которого определяется временем превышения напряжения на выходе второго интегратора 32 над пороговым напряжением U_{пор. верх.} второго порогового элемента 15 (см. фиг.2,а).

В узле суммирования 29 управляющих сигналов алгебраически складываются токовые сигналы с выходов генератора опорного тока 19, датчика напряжения 27 и узла мягкого запуска 26.

При подаче электроитания на систему управления и защиты 11 датчик 27 напряжения отрицательной обратной связи по напряжению вырабатывает токовый сигнал I_дн, величина которого прямо пропорциональна с заданным коэффициентом К_и напряжению U_н на нагрузке 5 (см. фиг.3,а), генератор 19 опорного тока вырабатывает опорный ток I_оп (см. фиг.3,б), который задает величину напряжения и соответственно тока в нагрузке при установившемся режиме замкнутой статической системы регулирования стабилизирующего преобразователя, узел 26 мягкого запуска вырабатывает ток I_умз, величина и характер изменения которого (см. фиг. 3, в) устанавливаются в период вывода стабилизированного преобразователя в установившийся режим с номинальной нагрузкой 5 так, чтобы ток I₂₉ на выходе узла суммирования 29 управляющих сигналов (I₂₉ = I_оп - I_дн - I_умз) мог плавно возрастать (см. фиг.3) от начального I_29нач. = I_оп - I_{умз нач} (I_{дн нач} = 0) до установившегося значения I_29уст = I_оп - I_{дн уст} при выходе стабилизированного преобразователя в установившейся режим. В номинальном установившемся режиме узел мягкого запуска 26 тока не ответвляет (I_умзуст = 0) и соответственно не влияет на процесс регулирования установившегося режима работы стабилизированного преобразователя.

Узел 26 мягкого запуска может приводиться в исходное состояние по первому входу сброса нулевым импульсом достаточной длительности, поступающим с выхода одновибратора 28, запускаемого отрицательным перепадом с выхода первого RS-триггера 17. Узел мягкого запуска 26 может также приводиться в исходное состояние по своему второму инверсному входу сброса нулевым потенциальным сигналом, поступающим через второй буферный элемент НЕ 33 входа дистанционного управления 38 устройства.

Скорость нарастания напряжения на выходах первого 31 и второго 32 интеграторов прямо пропорциональна току на их входах.

Скорость нарастания напряжения на выходе второго интегратора 32 и соответственно длительность нарастания напряжения до U_огр на выходе второго интегратора 32 постоянна во всех режимах работы стабилизированного преобразователя как при запуске (см. фиг.2,а), так и в номинальном режиме (см. фиг. 2), поскольку определяется только величиной фиксированного тока I_фикс, на выходе генератора 30 постоянного тока (см. фиг.3,д).

Скорость и соответственно длительность нарастания напряжения на выходе первого интегратора 31 до величины напряжения ограничения U_огр.задается током I₂₉ с выхода узла 29 суммирования управляющих сигналов (см. фиг.3,г).

Итак, при подаче электропитания на систему управления и защиты 11 ток на выходе узла 29 суммирования управляющих сигналов устанавливается намного меньше, чем ток на выходе генератора постоянного тока 30 (см. фиг.3,г,д), т.е. I_29нач = I_оп - I_{умз нач} << I_фикс.

Первый интегратор 31 на своем выходе формирует медленно нарастающее напряжение (см. фиг.2,в), крутизна которого соответственно намного меньше, чем крутизна напряжения на выходе второго интегратора 32 (см. фиг.2,а). Напряжение с выхода первого интегратора 31 поступает на вход порогового элемента с гистерезисом 13.

Единичный сигнал с выхода порогового элемента 13 с гистерезисом поступает на инверсный S-вход первого RS-триггера 17, на инверсный S-вход второго RS-триггера 18, на первый вход первого элемента И 16 и на первый вход второго элемента И 21. При поступлении единичного сигнала на инверсный S-вход первый RS-триггер 17 подтверждает единичное состояние на своем выходе, и единичный сигнал с выхода первого RS-триггера 17 продолжает присутствовать на втором входе первого элемента И 16. При поступлении единичного сигнала на инверсный S-вход второго RS-триггера 18 единичного состояния последнего также не изменяется. При поступлении единичного сигнала на первый вход первого элемента И 16 на выходе последнего начинается формирование переднего фронта единичного рабочего импульса управления, который, будучи усилен в усилителе мощности 20, открывает регулируемый однотактный преобразователь 2 и последний по своему выходу начинает закачивать энергию через первый выпрямительный диод 9, включенный в прямом направлении, в выходной фильтр 4. При поступлении единичного сигнала на первый вход второго элемента И 21, на втором входе которого единичный сигнал с выхода второго порогового элемента 15 уже присутствует к этому моменту (фиг.2а), на выходе второго элемента И 21 появляется единичный сигнал, который воздействуя на R-вход второго RS-триггера 18, перебрасывает последний в нулевое состояние. Нулевой сигнал на выходе второго RS-триггера 18 обеспечивает через цепь 23 сброса и разделительные диоды 24 и 25 спад напряжения на выходах первого 31 и второго 32 интеграторов. Крутизна спада напряжений на выходах первого 31 и второго 32 интеграторов задается примерно одинаковой и определяется подбором параметров цепи 23 разряда и внутренних параметров интеграторов 31 и 32. При снижении напряжения на выходе второго интегратора 32 ниже верхнего порогового напряжения U_{пор.верх.} второй пороговый элемент 15 на своем выходе сформирует нулевой сигнал (см. фиг.2,б), который устанавливает через второй элемент И 21 нулевой сигнал на R-входе второго RS-триггера 18.

При снижении напряжения на выходе первого интегратора 31 ниже верхнего порогового напряжения U_{пор. верх.} единичный сигнал на выходе порогового элемента 13 с гистерезисом сохраняется до того момента, когда напржение на выходе первого интегратора 31 спдаает до нижнего порога срабатывания U_{пор. ниж.} порогового элемента 13 с гистерезисом и только в этот момент на выходе порогового элемента 13 с гистерезисом появится нулевой сигнал. Таким образом, устраняется нежелательная комбинация наличия одновременно нулевого сигнала на инверсном S-входе и единичного сигнала на R-входе второго RS-триггера 18.

Нулевой сигнал на выходе порогового элемента 13 с гистерезисом (см. фиг. 2, г) завершит формирование первого единичного рабочего импульса управления на выходе 37 системы 11 управления и защиты (поскольку импульсы на выходе 37 системы 11 управления и защиты полностью повторяют форму импульсов на выходе порогового элемента 13 с гистерезисом), перебросит второй RS-триггер в единичное состояние, запирая цепь 23 разряда и прекращая соответственно спад напряжения на выходах первого 31 и второго 32 интеграторов. Минимальная длительность положительного импульса на выходе порогового элемента 13 с гистерезисом (см. фиг.2,г), на выходе первого элемента И 16 и соответственно на выходе 37 системы 11 управления и защиты определяется временем спада _спад напряжения на выходе первого интегратора 31 (см. фиг. 2, в) от величины верхнего порогового напряжения срабатывания U_{пор. верх.} порогового элемента 13 с гистерезисом до величины нижнего порога срабатывания U_{пор. ниж.}порогового элемента 13 с гистерезисом и зависит только от параметров цепи 23 разряда и внутренних параметров первого интегратора 31 и не зависит от частоты следования импульсов.

Первый 31 и второй 32 интеграторы начнут формировать вторые и каждые последующие импульсы нарастающего напряжения на своих выходах, причем узел 26 мягкого запуска ответвляет меньший ток (см. фиг.3,в), и, следовательно, ток на выходе узла 29 суммирования управляющих сигналов возрастет (см. фиг. 3, г), скорость нарастания напряжения на выходе первого интегратора 31 возрастает, а длительность переднего фронта _нар1 импульса на выходе первого интегратора 31 уменьшается (см. фиг.2,в), соответственно уменьшается период появления второго и каждого последующего Т_чим = _нар1 + _спад импульсов управления фиксированной длительности регулируемого однотактного преобразователя 2 (см. фиг.2,г).

Таким образом, в период вывода стабилизированного преобразователя в номинальный режим система 11 управления и защиты обеспечивает на начальном этапе работы частотно-импульсное регулирование последовательности импульсов фиксированной длительности _спад со скважностью _шим= на выходе регулируемого однотактного преобразователя 2 и соответственно "мягкое" вхождение регулируемого однотактного преобразователя 2 в процесс установившегося номинального режима, причем период следования импульсов регулируемого однотактного преобразователя 2 на начальном этапе определяется длительностью переднего фронта _нар1импульсов на выходе первого интегратора 31 (фиг.2в,г).

В тот момент, когда длительность переднего фронта _нар.1 импульса на выходе первого интегратора 31 (см. фиг.2,и) станет меньше длительности переднего фронта _нар.2 импульса на выходе второго интегратора 32 (см. фиг.2, з), единичный сигнал на выходе порогового элемента 13 с гистерезисом (см. фиг. 2,к) и соответственно импульс управления на выходе системы 11 управления и защиты появится также в момент достижения напряжения верхнего порога срабатывания U_{пор.верх.}порогового элемента 13 с гистерезисом на выходе первого интегратора 31 (см. фиг.2,и).

После того, как нарастающее напряжение на выходе второго интегратора 32 достигнет значения верхнего порога срабатывания U_{пор.верх.} второго порогового элемента 15 (см. фиг.2,з), на выходе последнего появится единичный сигнал, который в совокупности с единичным сигналом с выхода порогового элемента 13 с гистерезисом, воздействуя на входы второго элемента И 21, перебросит второй RS-триггер 18 в нулевое состояние и начнется через цепь 23 разряда и разделительные диоды 24 и 25 спад напряжения на выходах первого 31 и второго 32 интеграторов. При уменьшении напряжения на выходе первого интегратора 31 до значения U_{ниж.пор.} (см. фиг.2,и) срабатывает пороговый элемент 13 с гистерезисом и формирует на своем выходе задний фронт единичного импульса (см. фиг.2,и,к) и соответственно задний фронт импульса на выходе усилителя мощности 20 (импульса управления для регулируемого однотактного преобразователя 2). Период следования импульсов на выходе порогового элемента 13 с гистерезисом (импульсов управления регулируемого преобразователя 2) постоянный и равен Т_шим = _нар.2+ _спад (см. фиг.2,з,к), а длительность _шим=_нар.2 + _спад - - _нар.1 (см. фиг.2,и), где _нар.2- длительность нарастания напряжения на выходе второго интегратора 32 до верхнего порога срабатывания U_{пор.верх.}второго порогового элемента 15. Так как _нар.2 = const, _спад = const и уменьшается только _нар1 до своего установившегося значения _{нар.1уст}, то _шим будет возрастать до своего установившегося значения _{шим. уст} = =_нар.2+ _спад - _{нар.1 уст} и скважность _шим= = будет возрастать до своего установившегося значения _{шим уст} = Таким образом, при выводе в номинальный режим стабилизированного преобразователя с заданной нагрузкой 5 происходит вначале плавное регулирование с помощью ЧИМ (см. фиг.2,г), затем "мягкий" переход на ШИМ (см. фиг. 2д,е,ж - эти диаграммы показывают формирование импульсов управления регулируемого преобразователя 2 в тот момент, когда сравняются длительности нарастания напряжений на выходах первого 31 и второго 32 интеграторов, в этом случае длительность импульса как при ЧИМ-регулировании, а период следования импульсов как при ШИМ), затем выход на ШИМ регулирование стабилизированного преобразователя (фиг.2,ж,и,к) в установившемся режиме.

В процессе работы стабилизированного преобразователя возможно такое изменение нагрузки 5, что может происходить плавный переход обратно от ШИМ к ЧИМ и наоборот. Момент такого перехода определяется только соотношением длительности нарастания напряжений на выходах первого 31 и второго 32 интеграторов _{нар. 1} и _нар.2.

Второй элемент И 21 синхронизирует работу первого 31 и второго 32 интеграторов, так как нулевой сигнал на его выходе, перебрасывающий второй RS-триггер 18 и включающий цепь разряда 23, появляется только при одновременном появлении единичных сигналов на выходах второго порогового элемента 15 и порогового элемента 13 с гистерезисом.

Наличие перегрузки или короткого замыкания в нагрузке 5 вызовет увеличение соответствующего максимального тока на силовом входе регулируемого однотактного преобразователя 2, так как регулируемый однотактный преобразователь своим выходом подключен через выпрямительный диод 9, включенный в прямом направлении, и выходной фильтр 4 к нагрузке 5. Таким образом всякое изменение тока в нагрузке 5 во время действия импульса управления на выходе 37 системы управления и защиты 11 вызовет адекватную реакцию на силовом входе регулируемого однотактного преобразователя 2, смязченную только наличием выходного фильтра 4. Поэтому при наличии перегрузки на силовом входе регулируемого однотактного преобразователя 2 (за счет изменения тока в нагрузке 5 из-за перегрузки или короткого замыкания, равно как и за счет аварийных процессов собственно в самом однотактном преобразователе 2 или же отказов в системе управления и защиты 11), когда напряжение на выходе датчика тока 22 достигнет порогового напряжения срабатывания первого порогового элемента 14, на выходе последнего появляется единичный импульс, который перебрасывает первый RS-триггер 17 в нулевое состояние.

Нулевой сигнал с выхода первого RS-триггера 17, воздействуя на второй вход первого элемента И 16, отсекает прохождение текущего импульса управления на усилитель 20 мощности, одновременно воздействует на вход одновибратора 28. Одновибратор 28 формирует нулевой импульс достаточной длительности на своем выходе, который, воздействуя на первый инверсный вход сброса узла 26 мягкого запуска, переводит последний в начальное состояние, в котором ответвляемый узлом 26 мягкого запуска ток из узла 29 суммирования управляющих сигналов уменьшает скважность импульсов на выходе 37 системы 11 управления и защиты (за счет возрастания _нар.1). По завершении формирования текущего импульса управления нулевой сигнал с выхода порогового элемента 13 с гистерезисом перебросит по инверсному S-входу первый RS-триггер 17 в единичное состояние, разрешая прохождение последующего импульса управления, который также может до тех пор, пока не будет снята перегрузка.

При номинальных режимах в нагрузке 5 на высокой частоте преобразования длительность нулевого сигнала на выходе первого RS-триггера 17, составляя часть (равной n 1 мкс, где n = 2-6) длительности импульса управления системы 11 управления и защиты, не позволяет непосредственно эффективно воздействовать нулевому сигналу с выхода первого RS-триггера 17 из-за его кратковременности на первый инверсный вход сброса узла 26 мягкого запуска. Одновибратор 28 фактически "растягивает" нулевой сигнал с выхода первого RS-триггера 17 в n 1000 раз, где n = 1-3, соответственно нулевой сигнал с выхода одновибратора 28 возвращает узел 26 мягкого запуска в исходное состояние, обеспечивая в последующем процесс "мягкого" вывода преобразователя к той длительности импульса управления системы 11 управления и защиты, при которой срабатывает датчик тока 22 (при наличии перегрузки или короткого замыкания в нагрузке, например). Такой процесс будет продолжаться до тех пор, пока не будет снята перегрузка.

При отсутствии одновибратора 28 в условиях перегрузки высокая частота преобразования не уменьшается и до момента срабатывания датчика тока 22 в каждом рабочем такте преобразования выпрямительный диод 9, блокировочный (замыкающий) диод в выходном фильтре 4, элементы однотактного преобразователя 2 вынуждены пропускать значительные токи с высокой частотой преобразования, что ведет к значительным тепловым перегрузкам в указанных элементах устройства и, следовательно, аварийным отказам. При наличии одновибратора 28 в условиях перегрузки или короткого замыкания в нагрузке 5 или в самом регулируемом однотактном преобразователе 2 частота преобразования фактически снижается в n 1000 (n = 1-3) раз, и, соответственно, снижается теплонагруженность указанных элементов устройства.

Кроме того, при пропадании сетевого напряжения или снижении его ниже допустимого уровня релаксационный генератор 3 или полностью прекращает формирование управляющих импульсов для дополнительного однотактного преобразователя 6, или снижает частоту и длительность управляющих импульсов для дополнительного однотактного преобразователя 6 до таких пределов, при которых вырабатываемый дополнительным однотактным преобразователем 6 уровень напряжения для питания системы 11 управления и защиты исключает для последней возможности вырабатывать импульс управления для регулируемого однотактного преобразователя 2. При возвращении параметров сети в допустимые пределы релаксационный генератор 3 начнет вырабатывать управляющие импульсы с необходимой частотой и длительностью для дополнительного однотактного преобразователя 6, который обеспечит требуемую мощность электропитания для системы 11 управления и защиты, которая начнет процесс плавного вывода стабилизированного преобразователя в номинальный режим работы.

Поскольку фактически качество и надежность электропитания для системы 11 управления и защиты определяются релаксационным генератором 3, рассмотрим подробнее работу последнего.

Релаксационный генератор 3 работает следующим образом.

При включении устройства напряжение сети, выпрямленное и сглаженное сетевым выпрямителем 1 с фильтром, подается через вход 34 релаксационного генератора на делитель, образованный резисторами 45 и 46, и через резистор 39 - на конденсатор 52. Последний начинает заряжаться через резистор 39 и параллельно по цепи резистор 45, диод 48. При достижении на конденсаторе 52 уровня напряжения, равного напряжению на нижнем плече делителя напряжения-резисторе 46 (вычисляемого при условии отсутствия диода 48), одновременно запирается диод 48 и открывается транзистор 50.

Конденсатор 52 начинает разряжаться через открывающийся транзистор 50 по резистору 44 в коллекторной цепи транзистора 50 на конденсатор 53. Конденсатор 53 обеспечивает временную задержку с тем, чтобы транзистор 50 перешел в насыщенное состояние, прежде чем сработает излучающий диод транзисторной оптопары 51. При достижении на конденсаторе 53 уровня напряжения, равного порогу включения излучающего диода транзисторной оптопары 51, последний откроет транзистор транзисторной оптопары 51, который по своей коллекторной цепи через делитель из резисторов 40 и 41 откроет транзистор 49. Насыщенный транзистор 49 начинает с одной стороны разряжать конденсатор 52 на нагрузку, подключенную к выходу 35 релаксационного генератора 3, формируя импульс управления для дополнительного однотактного преобразователя 6, а с другой - обеспечивает "самоподхват" насыщенного транзистора 49 по цепи резистор 42, диод 47 и излучающий диод транзисторной оптопары 51.

При разряде конденсатора 52 вначале закроется транзистор 50, затем при разряде конденсатора 52 до уровня напряжения через насыщенный транзистор 49 закроется излучающий диод транзисторной оптопары 51. Это будет моментом окончания первого импульса управления на выходе релаксационного генератора 3.

Конденсатор 52 вновь начинает заряжаться для подготовки второго импульса управления на выходе 35 релаксационного генератора 3. Описанный процесс будет продолжаться циклически до тех пор, пока будет напряжение на входе 34 релаксационного генератора 3.

Резистор 43 разряжает конденсатор 53 в паузах между импульсами на выходе 35 релаксационного генератора.

Формула изобретения

1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ, содержащий сетевой выпрямитель с фильтром, подключенный выходом к силовому входу регулируемого однотактного преобразователя, выход которого через первый выпрямительный диод, включенный в прямом направлении, подключен к входу выходного фильтра, выходом соединенного с выходными выводами преобразователя, систему управления и защиты, включающую в себя датчик тока, входом подключенный к силовому входу регулируемого однотактного преобразователя, а выходом - к входу первого порогового элемента, выходом подключенного к R-входу первого RS-триггера, второй RS-триггер, первый и второй элементы И, усилитель мощности, датчик напряжения, узел мягкого запуска, источник опорного тока, узел суммирования сигналов управления, источник фиксированного тока, два интегратора, два разделительных диода, цепь сброса, второй пороговый элемент, пороговый элемент с гистерезисом, причем вход датчика напряжения подключен к выходным выводам преобразователя, выходы источника опорного тока, датчика напряжения и узла мягкого запуска подключены к входам узла суммирования управляющих сигналов, выход которого подключен к входу первого интегратора, выход источника фиксированного тока подключен к входу второго интегратора, входы сброса первого и второго интеграторов подключены соответственно через первый и второй разделительные диоды к выходу цепи сброса, вход которой подключен к выходу второго RS-ириггера, выход первого интегратора подсоединен к входу порогового элемента с гистерезисом, выход второго интегратора подсоединен к входу второго порогового элемента, выход порогового элемента с гистерезисом подключен к первому входу первого элемента И, к инверсным S-входам первого и второго RS-триггеров, к первому входу второго элемента И, выход второго порогового элемента соединен с вторым входом второго элемента И, выход которого подключен к R-входу второго RS-триггера, выход первого RS-триггера подсоединен к второму входу первого элемента И, выход которого через усилитель мощности подключен к управляющему входу регулируемого однотактного преобразователя, отличающийся тем, что введены релаксационный генератор, дополнительный однотактный преобразователь, второй выпрямительный диод, дополнительный фильтр, компенсационный стабилизатор напряжения, а система управления и защиты снабжена одновибратором и двумя буферными элементами НЕ, причем вход релаксационного генератора подключен к выходу сетевого выпрямителя с фильтром, а выход - к управляющему входу дополнительного однотактного преобразователя, силовым входом подключенного к выходу сетевого выпрямителя с фильтром, выход дополнительного однотактного преобразователя через второй выпрямительный диод, включенный в обратном направлении, подключен к входу дополнительного фильтра, выходом подключенного к входу компенсационного стабилизатора напряжения, выход которого подсоединен к выводам электропитания системы управления и защиты, вход одновибратора подключен к выходу первого RS-триггера, выход одновибратора подсоединен к первому инверсному входу сброса узла мягкого запуска, вывод для подачи сигнала дистанционного управления преобразователя подключен к входам первого и второго буферных элементов НЕ, выход первого буферного элемента НЕ соединен с вторым инверсным входом сброса узла мягкого запуска, выход второго буферного элемента НЕ соединен с третьим входом первого элемента И.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что релаксационный генератор выполнен по схеме с восьмью резисторами, двумя конденсаторами, двумя диодами, двумя транзисторами и транзисторной оптопарой, причем одним выводом первый и второй конденсаторы, эмиттер n-p-n-транзистора транзисторной оптопары и катод излучающего диода транзисторной оптопары подсоединены к первому питающему выводу релаксационного генератора, другим выводом первый конденсатор подключен к эмиттерам первого и второго транзисторов p-n-p-типа, а также через первый резистор - к второму питающему выводу релаксационного генератора и через второй резистор - к базе первого транзистора, база второго транзистора подсоединена через третий резистор к второму питающему выводу релаксационного генератора и через четвертый резистор - к первому питающему выводу релаксационного генератора, первый диод включен встречно параллельно переходу база-эмиттер второго транзистора, другим выводом второй конденсатор подключен к катоду второго диода, к аноду излучающего диода транзисторной оптопары, через пятый резистор - к первому питающему выводу релаксационного генератора и через шестой резистор - к коллектору второго транзистора, коллектор первого транзистора подключен через седьмой резистор к аноду второго диода и подсоединен к выходному выводу релаксационного генератора, база первого транзистора подключена через восьмой резистор к коллектору транзистора транзисторной оптопары.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4