преобразователь постоянного напряжения в постоянное

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий четыре ключа, соединенных по мостовой схеме, диагональ постоянного тока которой подключена к первой и второй клеммам, к диагонали переменного тока мостовой схемы подключена первичная обмотка трансформатора, отличающийся тем, что введены два конденсатора, подключенных первыми выводами соответственно к первой и второй клеммам, первичная обмотка трансформатора выполнена симметричной с отводом от средней точки, подключенным к вторым выводам конденсаторов и к третьей клемме, при этом одна из трех клемм предназначена для подключения одного из выводов источника напряжения, другая клемма - для подключения одного из выводов нагрузки, а оставшаяся клемма предназначена для подключения других выводов источника напряжения и нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии, в частности постоянного напряжения в постоянное, и может быть использовано в качестве устройства, обеспечивающего как двухполярное выходное напряжение из однополярного входного, так и изменение выходного напряжения вдвое (уменьшенное или увеличенное) относительно входного с высоким КПД.

Известны устройства с использованием операционных усилителей с мощным выходным каскадом на комплементарных транзисторах [1], обеспечивающие понижение выходного напряжения и формирование двухполярного напряжения питания из однополярного источника напряжения. Такие устройства за счет глубокой отрицательной обратной связи обладают высокой степенью симметрии. Однако при несимметричной нагрузке разностный ток течет через один из транзисторов выходного каскада стабилизатора, что снижает КПД устройства. КПД такого устройства особенно низок, если нагрузка подключена только к одному плечу, например, между клеммами +E и 0.

Повышенным КПД обладают схемы с преобразованием постоянного напряжения в переменное с последующим выпрямлением, в частности [2], выходное напряжение которого (повышенное или пониженное - в зависимости от необходимости, в том числе и симметричное) обеспечивается на выходе мостового выпрямителя, питающегося от обмотки со средней точкой трансформатора преобразователя напряжения.

Однако наличие обмотки и диодов в цепи выходного напряжения приводит к определенному снижению КПД устройства (дополнительно 5 - 10% и даже более, не считая потерь в самом преобразователе напряжения). Кроме того, такое устройство относительно сложно, что снижает и его надежность.

Наиболее близким по назначению и технической реализации (прототипом) может быть признано устройство, содержащее четыре ключа, соединенные по мостовой схеме, первая диагональ которого подключена к двум клеммам источника питания, а ко второй диагонали подключена первичная обмотка трансформатора [3].

Однако оно имеет ограниченное применение, поскольку не имеет выхода, напряжение на котором равно половине напряжения питания, например для питания операционных усилителей, которые требуют двухполярного напряжения, или для низкоомной нагрузки, которой требуется вдвое меньшее напряжение питания. Кроме того, оно не может обеспечить увеличение выходного напряжения.

Задачей предлагаемого устройства является обеспечение возможности изменения (уменьшения или увеличения) выходного напряжения вдвое, при одновременном повышении КПД устройства и формирования средней точки выходного напряжения.

Эта задача достигается тем, что в устройство, содержащее четыре ключа, соединенные по мостовой схеме, первая диагональ которого подключена к двум клеммам, а ко второй диагонали подключена первичная обмотка трансформатора, дополнительно введены конденсаторы фильтров, подключенные одними выводами к двум клеммам, первичная обмотка трансформатора выполнена симметричной с отводом от средней точки, которая подключена к вторым выводам конденсаторов фильтров и третьей клемме.

На фиг. 1 и 2 приведены схемы предложенного устройства.

Здесь VT1 - VT4 - полупроводниковые (например, транзисторные) ключи, образующие с трансформатором T мостовой преобразователь напряжения. +E, -E - клеммы, к которым подключена первая диагональ мостового преобразователя напряжения. 1-2 - первичная обмотка трансформатора T, включенная во вторую диагональ мостового преобразователя напряжения. Обмотка имеет отвод 3 от средней точки, который связан с третьей клеммой 0 устройства, имеющей потенциал, равный половине напряжения между клеммами +E и -E (условный ноль при напряжении питания устройства +E/-E). C1, C2 - конденсаторы фильтра, подключенные одними выводами к клеммам +E и -E, вторыми - к третьей клемме 0 устройства.

Цепи запуске устройства не показаны, цепи управления устройства показаны условно в виде обмоток, включенных между базами и эмиттерами комплементарных пар транзисторов, поскольку их конкретное исполнение не влияет на решение задачи. Трансформатор T может быть снабжен необходимым количеством вторичных обмоток.

Устройство может работать в режиме понижения (деления) (фиг. 1) и в режиме повышения (умножения) напряжения (фиг. 2).

В первом режиме (фиг. 1) устройство работает следующим образом.

При подключении к клеммам +E и -E устройства источника напряжения E происходит включение двух противоположных ключей, например VT1 и VT3. При этом на выводе 1 первичной обмотки трансформатора T напряжение равно значению +E, а на выводе 2 равно минус E. Поскольку вывод 3 выполнен от середины первичной обмотки, то напряжение на нем равно половине напряжения питания (условно равно нулю).

После выключения ключей VT1 и VT3 и включения ключей VT2 и VT4 на выводе 2 первичной обмотки трансформатора напряжение становится равным +E, а на выводе 1 равно -E. При этом на выводе 3 напряжение остается равным нулю. Конденсаторы C1 и C2 обеспечивают сглаживание выбросов переменного напряжения, возникающих при переключении ключевых транзисторов.

Следует отметить, что обеспечение условного нулевого значения на выводе 3 (средней точке) первичной обмотки происходит при любой относительной длительности включенных и выключенных состояний ключей (в пределах вплоть до насыщения сердечника трансформатора, что не требует применения никаких специальных мер и обеспечивается автоматически), поскольку определяется только точностью намотки первичной обмотки трансформатора T. Это позволяет выполнить устройство по предельно простой и, следовательно, надежной схеме.

Если устройство используется для питания несимметричной нагрузки, подключаемой только к одному плечу преобразователя, например между клеммами +E и 0, то преобразователь работает как понижающий автотрансформатор постоянного напряжения с коэффициентом трансформации 0,5.

Высокий КПД устройства обеспечивается низким выходным сопротивлением устройства за счет параллельного включения выходного сопротивления половин преобразователя, состоящей каждая из ключа и активного сопротивления первичной полуобмотки (как и в автотрансформаторе переменного напряжения). Кроме того, в случае подключения к выходу устройства двухполярной нагрузки между клеммами -E, 0 и +E это выходное сопротивление создает потери только для разностного тока этой нагрузки, поскольку минимальный (общий) ток нагрузки протекает, минуя преобразователь.

Во втором режиме, когда напряжение питания подведено к клемме 0 и одной из клемм +E или -E, а нагрузка подключена к клеммам +E и -E, устройство работает следующим образом.

Примем, что напряжение питания подано на клеммы 0 и - (фиг. 2) и в первый момент включены ключи VT1 и VT3. В этом случае напряжение питания подключено одной шиной через клемму 0 к средней точке 3 первичной обмотки трансформатора T, а второй шиной - через клемму -E и открытый ключ VT3 - к выводу 2 первичной обмотки трансформатора T. на второй полуобмотке трансформатора (на выводе 1 обмотки относительно вывода 3) наводится напряжение, равное напряжению на первой полуобмотке, причем знак напряжения на выводе 1 положительный относительно вывода 3. Поскольку в этот момент открыт ключ VT1, то через него заряжается конденсатор C1 до напряжения, равного напряжению питания. После выключения ключей VT1 и VT3 и включения ключей VT2 и VT4 процесс повторяется. При этом на конденсаторе C1 напряжение всегда равно напряжению питания. Если нагрузка подключена к клеммам +E и -E, то напряжение на ней становится равным двойному значению входного напряжения, т.е. устройство работает как повышающий автотрансформатор с коэффициентом трансформации 2. К выходу устройства при этом может быть подключена и симметричная нагрузка.

Таким образом, предложенное устройство обладает расширительными функциональными возможностями: имеет возможность понизить или повысить выходное напряжение по сравнению со входным и в обоих случаях обеспечить двухполярное напряжение на выходе. При этом КПД устройства максимально высок для данного типа преобразователей, поскольку устройство не имеет ни одного лишнего элемента (обмотки или диода, как в аналоге [2]), через который протекал бы ток нагрузки и от параметров которого зависел бы КПД устройства.

Решение устройством поставленной задачи подтверждено макетом.

Предложение может быть использовано на изделиях предприятия.

Источники информации

1. Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители. Справочное пособие по применению. - М.: Энергоиздат, 1982, с. 44, рис. 30, б.

2. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах. Справочник. / Под ред. В.П. Дьконова. - М.: Радио и связь, 1994, с. 91, рис. 4.18.

3. Там же, с. 184, рис. 8.14, б.