Пристрій для заряду ємкісного накопичувача

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам для преобразования и передачи энергии источника постоянного тока в емкостной накопитель, и может быть использовано в источниках мощных высоковольтных импульсов электрического тока для питания оптических квантовых генераторов или генераторов упругой механической волны. Известно зарядное устройство, содержащее инвертор, входы которого подключены к шинам питания, а выходы - к входу индуктивно-емкостного преобразователя, выход которого подключен к входу выпрямителя, выход которого соединен с емкостным накопителем [1]. Недостатками известного устройства являются большой максимальный потребляемый ток, низкий КПД и коэффициент использования источника питания. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству является, выбранное в качестве прототипа, устройство для заряда емкостного накопителя, содержащее трансформатор, индуктивноемкостной преобразователь, выпрямитель, выход которого соединен с входом емкостного накопителя, генератор, выход которого соединен с первым входом инвертора, второй вход которого подключен к шине питания, интегратор, два компаратора, вычитающий блок, источник опорного напряжения, делитель напряжения, вход которого соединен с выходом выпрямителя, первый выход делителя напряжения соединен с первым входом вычитающего блока, второй вход которого соединен с первым выходом источника опорного напряжения, выход вычитающего блока соединен с первыми входами интегратора и первого компаратора, выход которого соединен с первым входом генератора, второй вход которого соединен с выходом второго компаратора, второй выход источника опорного напряжения соединен с вторым входом первого компаратора, второй выход делителя напряжения соединен с первым входом второго компаратора, второй вход которого соединен с третьим выходом источника опорного напряжения, выход инвертора через последовательно соединенные трансформатор и индуктивно-емкостной преобразователь подключен к входу выпрямителя [2]. Недостатками известного устройства являются большой максимальный потребляемый ток, низкий КПД и коэффициент использования источника питания. Задачей изобретения является создание такого устройства для заряда емкостного накопителя, в котором за счет переключения частоты генератора, что переводит устройство из режима заряда постоянным зарядным током в режим заряда с постоянным входным током, достигается снижение максимальной величины потребляемого тока, что позволяет повысить КПД и коэффициент использования источника питания. Поставленная задача достигается тем, что в устройство для заряда емкостного накопителя, содержащее трансформатор, индуктивно-емкостной преобразователь, выпрямитель, выход которого соединен с входом емкостного накопителя, генератор, выход которого соединен с первым входом инвертора, второй вход которого подключен к шине питания, компаратор, источник опорного напряжения, делитель напряжения, вход которого соединен с выходом выпрямителя, выход делителя напряжения соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с первым выходом источника опорного напряжения, выход компаратора соединен с первым входом генератора, выход инвертора через последовательно соединенные трансформатор и индуктивно-емкостной преобразователь подключен к входу выпрямителя, согласно изобретению введены пороговый блок с гистерезисом и датчик тока, причем первый вход порогового блока соединен с вторым выходом источника опорного напряжения, а выход с вторым входом генератора, второй вход порогового блока соединен с выходом датчика тока, вход которого включен в разрыв токовой цепи между трансформатором и индуктивно-емкостным преобразователем, что позволяет снизить максимальный потребляемый ток, повысить КПД и коэффициент использования источника питания. На фиг.1 представлена блок-схема устройства для заряда емкостного накопителя; на фиг. 2 показаны изменение частоты напряжения инвертора (а), величины зарядного тока накопителя энергии (б), величины тока на входе индуктивно-емкостного преобразователя (в) от времени; на фиг. 3 -характеристика порогового блока с гистерезисом; на фиг. 4 - конструкция датчика тока; на фиг. 5 - конструкция порогового блока. Устройство для заряда емкостного накопителя (фиг. 1) содержит инвертор 1, генератор 2, трансформатор 3, индуктивно-емкостной преобразователь 4, датчик тока 5, выпрямитель 6, емкостной накопитель 7, пороговый блок с гистерезисом 8, источник опорного напряжения 9, делитель напряжения 10. компаратор 11, Первый вход инвертора 1 подключен к источнику питания U п, а второй вход к выходу генератора 2, выход инвертора 1 соединен с входом трансформатора 3. выход трансформатора 3 соединен с входом индуктивноемкостного преобразователя 4,через датчик тока 5, выход индуктивно-емкостного преобразователя 4 соединен с входом выпрямителя 6, выход выпрямителя 6 соединен с емкостным накопителем 7, выход датчика тока 6 подключен к первому входу порогового блока 8, второй вход порогового блока 8 соединен с первым входом источника опорного напряжения 9, выход порогового блока 8 соединен с первым входом генератора 2, делитель напряжения 10 включен параллельно емкостному накопителю 7, выход делителя напряжения 10 подключен к первому входу компаратора 11, второй вход компаратора 11 соединен с вторым входом источника опорного напряжения 9, выход компаратора 11 соединен с вторым входом генератора 2. Датчик тока 5 (фиг. 4) содержит трансформатор тока 12. параллельно которому включены резистор 13 и выпрямительный мост на диодах 14-17. На выходе блока включена фильтрующая емкость 18. Напряжение на выходе выпрямительного моста 14 пропорционально входному току трансформатора 12. Трансформатор тока выполнен на тороидальном ферритовом сердечнике 17,5 х 8,2 х 5 мм М2000НМ1, первичная обмотка содержит один виток, а вторичная - 30 витков провода. Резистор 13 типа МЛТ-0,5 160 Ом. Диоды 14-17 входят в состав интегрального выпрямителя КЦ407А. Пороговый блок с гистерезисом 8 (фиг. 5) выполнен на операционном усилителе 19, резисторах 20-23, конденсаторе 24, диоде 25, резисторе 26 и транзисторе 27. Гистерезис (фиг. 3) введен для того, чтобы при незначительных колебаниях входного тока индуктивно-емкостного преобразователя 4 не происходили ложные переключения генератора 2 на другую часто ту. В пороговом элементе 8 использован интегральный компаратор К521СА2 и транзистор КТ315А. Устройство работает следующим образом. На вход инвертора 1 поступает постоянное напряжение Un. Инвертор 1 преобразует это напряжение в напряжение повышенной частоты (фиг. 2а, интервал 0-t1), которое подается на трансформатор 3. Высокое напряжение с его вторичной обмотки подается на индуктивно-емкостной преобразователь 4, играющий роль регулируемого по величине источника переменного тока, Частота напряжения инвертора 1 (фиг. 2а, интервал 0-t1) является резонансной для индуктивно-емкостного преобразователя 4. Напряжение с выхода индуктивноемкостного преобразователя 4 поступает на выпрямитель 6 и подается на емкостной накопитель 7. Происходит заряд емкостного накопителя 7 постоянным зарядным током (фиг. 26, интервал 0-t1), входной ток индуктивно-емкостного преобразователя 4 линейно возрастает (фиг. 2в, интервал 0-t1). При достижении входным током индуктивно-емкостного преобразователя определенного уровня (фиг. 2в, конец интервала 0—t1) с выхода датчика тока 5 на вход порогового блока 8 подается напряжение выше опорного, задаваемого источником опорного напряжения 9 и подаваемого на второй вход порогового блока 8. Напряжение на выходе порогового блока 8 возрастает (фиг. 3) и подается на вход генератора 2, который перестраивается на работу с частотой, удовлетворяющей условию {3] для Т-образного индуктивноемкостного преобразователя где ХC - емкостное сопротивление конденсатора индуктивно-емкостного преобразователя; ΧL - индуктивное сопротивление дросселя индуктивно-емкостного преобразователя. При этом входной ток индуктивно-емкостного преобразователя 4 будет постоянным по величине (фиг. 2в, интервал t1-t2), а зарядный ток будет уменьшаться (фиг. 26, интервал t1-t2). При достижении заданного уровня напряжения на емкостном накопителе 7 напряжение на первом входе компаратора 11 увеличится на столько, что он сработает и своим выходным напряжением запретит работу генератора 2, при этом происходит полное отключение силовой части устройства от сети. Снижение максимального потребляемого тока, повышение КПД и коэффициента использования источника питания достигается за счет работы устройства на интервале t1-t2 (фиг. 2) в режиме с постоянным входным током. Известно [4], что КПД зарядного устройства выше при работе с относительной частотой μ*= 2,41 (фиг. 2, интервал t1-t2), что соответствует режиму работы с постоянным входным током, чем при работе с относительной частотой μ*= 1 (фиг. 2, интервал 0-t1), что соответствует режиму работы с постоянным зарядным током. Относительная частота определена [4], как где ω - круговая частота напряжения инвертора; L- индуктивность дросселя индуктивно-емкостного преобразователя; С - емкость конденсатора индуктивно-емкостного преобразователя. Известно [1], что коэффициент использования источника питания достигает максимального значения в режиме работы с постоянным входным током, поэтому работа в таком режиме (фиг. 2, интервал t1-t2) приводит к улучшению указанного параметра, Коэффициент использования источника питания определен [1], как где Рс - средняя мощность, передаваемая в накопитель за время заряда; Рпотр.m - максимальная потребляемая мощность. Таким образом, введение датчика тока 5 и порогового блока с гистерезисом 8 позволяет осуществить переход из режима заряда постоянным зарядным током в режим заряда с постоянным входным током и тем самым снизить максимальный потребляемый ток, повысить КПД и коэффициент использования источника питания. Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что пороговые блоки с гистерезисом и датчика тока широко известны [6]. Однако их введение в указанной связи с остальными элементами схемы позволяет достичь нового технического результата. Осуществление изобретения дает возможность снизить максимальный потребляемый ток в 1,5-2 раза, повысить КПД на 5-7 процентов, повысить коэффициент использования источника питания на 15-20 процентов.