Перетворювач змінної напруги в постійну з примусовим формуванням вхідних струмів

Преобразователь переменного напряжения в постоянное с принудительным формированием входных токов, содержащий импульсный регулятор повышающего типа на ключевых элементах, вход которого через датчик тока соединен с входными выводами, а выход - с выходными выводами для подключения нагрузки, датчик входного напряжения, подключенный входом к входным выводам, датчик выходного напряжения, подключен C2 (54) ПЕРЕТВОРЮВАЧ ЗМІННОЇ НАПРУГИ В ПОСТІЙНУ З ПРИМУСОВИМ ФОРМУВАННЯМ ВХІДНИХ СТРУМІВ 39892 водами, а выход - с выходными выводами для подключения нагрузки, датчик входного напряжения, подключенный входом к входным выводам, датчик выходного напряжения, подключенный входом к выходным выводам, вход которого через усилитель сигнала рассогласования и корректирующее звено с частотно-зависимым коэффициентом передачи подключен ко входу формирователя эталонного напряжения, другой вход которого соединен с выходом датчика входного напряжения, а выход подключен к инверсному входу схемы сравнения, прямой вход которой соединен с выходом датчика входного тока, а выход через релейный элемент соединен со входом управления ключевыми элементами импульсного регулятора. Недостатком прототипа является высокий уровень акустических шумов, возникающих при работе преобразователя в условиях нестабильности напряжения питающей сети. Это происходит вследствие увеличения интервалов времени отдачи электромагнитной энергии, накопленной входным дросселем, и обусловлено неизменностью порогов переключения релейного элемента. В основу изобретения поставлена задача разработать преобразователь переменного напряжения в постоянное с принудительным формированием входных токов, в котором путем введения выпрямителя, второй схемы сравнения, усилителя, аттенюатора и новых связей достигается автоматическое изменение порогов срабатывания релейного элемента синхронно с колебаниями напряжения питающей сети, что приводит к уменьшению уровня акустических шумов. Поставленная задача решается тем, что в предлагаемый преобразователь, содержащий импульсный регулятор повышающего типа на ключевых элементах, вход которого через датчик тока соединен с входными выводами, а выход - с выходными выводами для подключения нагрузки, датчик входного напряжения, подключенный входом к входным выводам, датчик выходного напряжения, подключенный входом к выходным выводам, выход которого через усилитель сигнала рассогласования и корректирующее звено с частотно-зависимым коэффициентом передачи подключен к входу формирователя эталонного напряжения, другой вход которого соединен с выходом датчика входного напряжения, а выход подключен к инверсному входу схемы сравнения, прямой вход которой соединен с выходом датчика входного тока, а выход через релейный элемент соединен с входом управления ключевыми элементами импульсного регулятора, дополнительно введены выпрямитель, вторая схема сравнения, усилитель и аттенюатор, а релейный элемент снабжен входом задания порогов срабатывания, причем вход выпрямителя подключен к выходу датчика входного напряжения, а выход - к прямому входу второй схемы сравнения, инверсный вход которой соединен с источником опорного напряжения, а выход через усилитель и аттенюатор связан со входом задания порогов срабатывания релейного элемента. Совокупность введенных и ранее известных признаков позволяет уменьшить уровень акусти ческих шумов, т.е. получить новый технический результат. Изобретение поясняется чертежами, на которых приведены: фиг. 1 - структурная схема предлагаемого преобразователя; фиг. 2 - эпюры напряжений, поясняющие работу преобразователя; фиг. 3 - расчетные кривые входного тока преобразователя; фиг. 4 - спектры гармоник входного тока; фиг. 5 - пример практической реализации преобразователя с принудительным формированием входного тока. На фиг. 1 обозначено: импульсный регулятор (ИР) 1; датчик входного тока (ДТ) 2; датчик входного напряжения (ДН) 3; датчик выходного напряжения (ДВН) 4; усилитель сигнала рассогласования (УС1) 5; корректирующее звено (КЗ) 6; формирователь эталонного напряжения (ФЭН) 7; первая схема сравнения (СС1) 8; релейный элемент (РЭ) 9; выпрямитель (В) 10; вторая схема сравнения (СС2) 11; усилитель (УС2) 12; аттенюатор (AT) 13. Предлагаемое устройство состоит (фиг. 1) из импульсного регулятора 1, подключенного к источнику переменного напряжения. Между входными выводами ИР включен датчик входного напряжения 3, выход которого подключен ко входам выпрямителя 10 и формирователя эталонного напряжения 7. Другой вход ФЭН через корректирующее звено 6 и усилитель 5 связан с выходом датчика выходного напряжения 4, подключенного к выходным выводам ИР. Между входным выводом ИР и источником переменного напряжения включен датчик входного тока 2, выход которого соединен с прямым входом первой схемы сравнения 8, к инверсному входу которой подключен выход ФЭН. Выход первой схемы сравнения через релейный элемент 9 связан с ключевыми элементами ИР. Выход выпрямителя 10 соединен с прямым входом второй схемы сравнения 11, инверсный вход которой подключен к источнику опорного напряжения. Выход второй схемы сравнения через усилитель 12 и аттенюатор 13 соединен с входом задания порогов срабатывания РЭ. Преобразователь работает следующим образом. На вход ФЭН 7 (фиг. 1) непрерывно поступают сигналы, пропорциональные мгновенным значениям входного напряжения Uвх, и сигналы управления F с выхода корректирующего звена 6 цепи обратной связи. Последние формируются по усиленным усилителем 5 сигналам рассогласования UD с выхода ДВН4. В результате перемножения входных сигналов на выходе ФЭН 7 вырабатывается эталонный сигнал Uэ, пропорциональный мгновенным значениям напряжения сети Uвх, амплитуда которого определяется сигналами управления F с выхода корректирующего звена 8. Указанный сигнал Uэ сравнивается схемой сравнения 8 с сигналом, пропорциональным мгновенному значению входного тока iвх. На выходе схемы сравнения 8 формируется разностный сигнал Uр, который поступает на вход РЭ9, имеющего два порога срабатывания Uпmax и Uпmi n. При этом алгоритм переключения РЭ определяется граничными условиями неравенства 2 39892 U n min Ki £ Up £ U n max Ki , личиной входных сигналов. Так как аттенюатор подключен к цепи задания порогов РЭ, то происходит пропорциональное уменьшение его максимального порога срабатывания Uпmax и, соответственно, возрастает частота переключения. В соответствии с алгоритмом работы, при этом увеличивается частота работы ключевых элементов ИР, а высокочастотные пульсации, входного тока уменьшаются. Для иллюстрации вышеизложенного на фиг. 3 показаны расчетные кривые входного тока преобразователя с принудительным формированием, мощностью 1 кВт для случаев, когда величина Uпmax не регулируется (фиг. 3а) и регулируется пропорционально Uвх (фиг. 3б). Как видно из чертежа, во втором случае наблюдается существенное увеличение частоты работы ключевых элементов в области амплитудных значений. Амплитуды низкочастотных гармоник входного тока, определяющие уровень акустических шумов, при этом уменьшаются. На фиг. 4 приведены спектры гармоник входного тока реального преобразователя мощностью 1 кВт, выполненного по наиболее распространенной одноключевой схеме импульсного регулятора с выпрямительным мостом на входе и имеющем выходное напряжение Uн = 350 В. Расчеты производились для напряжения сети Uвх = 220 В с учетом возможных отклонений Uвх min = 187 В и Uвх max = 242 В. Величина порогов переключения варьировалась от DUп = 3,6 В (Uпmax = 4,1 В; Uпmin = = 0,5 В) до DUп = 0,5 B (Uпmax = 1 B; Uпmin = 0,5 В). При расчетах учитывались гармоники с порядковым номером до n = 400 включительно, что соответствуе т частоте 40 кГц. Пунктиром обозначена область звуковых частот (n = 200). Сравнение спектров гармоник входного тока показывает, что по мере повышения входного напряжения и неизменных порогах переключения РЭ (DUп = 3,6 B) наблюдается смещение гармонических составляющих в область пониженных частот, что вызывает возрастание амплитуд гармоник, находящихся в полосе звуковых частот и сопровождается на практике повышением уровня акустических шумов. Вместе с тем, в случае уменьшения порогов срабатывания, в данном случае с DUп = 3,6 В до DUп = 0,5 В спектральный состав входного тока даже при Uвх max = 242 В практически не отличается от наиболее благоприятного, с точки зрения акустических шумов, спектра, полученного при Uвх max = 187 В и DUп = 3,6 В. На фиг. 5 приведен пример практической реализации схемы преобразователя переменного напряжения в постоянное с принудительным формированием входных токов, который выполнен на основе одноключевой схемы (транзистор VT). Особенностью данного преобразователя является наличие на входе выпрямительного моста Д1-Д4. Схема импульсного регулятора включает дроссель L, ключевой элемент VT, разделительный диод Д5 и выходной конденсатор С. Датчик входного напряжения ДН выполнен на основе резистивного делителя, датчик тока (ДТ) реализован при помощи шунта r ш. Формирователь эталонного напряжения (ФЭН) представляет собой умножитель аналоговых сигналов, например, м/с 525 ПС3. Схемы сравнения (CC1, CC2) реализованы на основе операционных усилителей. Источник (1) где: Ki - коэффициент усиления усилителя разностного сигнала. Величина порогов переключения РЭ выбирается из условий минимизаций величины высокочастотных пульсации входного тока и получения оптимальных частот переключения ключевых элементов ИР. На выходе РЭ9 формируется ШИМ последовательность импульсов управления ключевыми элементами ИР1, задающая алгоритм их переключения, а моменты коммутации определяются в соответствии с выражением (1). Таким образом, производится регулирование энергии, поступающей от первичного источника в нагрузку, и формируется входной ток, форма которого практически повторяет форму приложенного напряжения с точностью, определяемой разностью порогов DUп = Uпmax - Uпmi n срабатывания РЭ. Однако при фиксированных значениях порогов срабатывания на интервалах отдачи энергии имеет место замедление скорости спада входного тока, которое сопровождается уменьшением частоты коммутации ключевых элементов по мере приближения мгновенных значений Uвх к амплитудным значениям. Это вызывает возрастание акустических шумов преобразователя. Очевидным путем уменьшения уровня акустических шумов является увеличение значений выходного напряжения. В этом случае прикладываемое к входному дросселю напряжение, равное UL = Uн - Uвх, может быть выбрано с необходимым запасом, обеспечивающим необходимую скорость спада тока в дросселе. Однако такой путь в большинстве случаев является неприемлемым, вследствие значительного возрастания рабочих напряжений, прикладываемых к полупроводниковым элементам ИР. Другой путь связан с введением в области повышенных значений автоматической регулировки величины порогов срабатывания РЭ, изменяющи хся пропорционально Uвх. В этом случае задание порогов переключения РЭ9 обеспечивается цепью, включающей выпрямитель 10, вторую схему сравнения 11, усилитель 12 и аттенюатор 13. Работа данной цепи иллюстрируется эпюрами напряжений, показанными на фиг. 2. Однополярное напряжение с выхода выпрямителя 10, пропорциональное мгновенным значениям входного напряжения сравнивается схемой сравнения 11 с опорным напряжением, уровень которого выбирается пропорциональным амплитудному значению минимально допустимого входного напряжения (фиг. 2). При этом, если величина входного напряжения не превышает Uоп, на выходе второй схемы сравнения сигналы не формируются, аттенюатор 13 находится в выключенном состоянии, его эквивалентное сопротивление близко к ¥ и не влияет на величину заданного порога срабатывания релейного элемента (фиг. 2). При превышении сигналом, пропорциональным Uвх, опорного напряжения Uоп на выходе второй схемы сравнения 11 появляется сигнал, который после усиления поступает на вход аттенюатора, изменяя его сопротивление в соответствии с ве 3 39892 опорного напряжения (Uоп) реализован при помощи стабилитрона VД6. Аттенюатор (AT) реализован на полевом транзисторе, работающем в активном режиме. Релейный элемент реализован на основе операционного усилителя. Для задания порогов переключения использована цепочка, включающая стабилитроны VД7, VД8, резисторы R1, R2. Схема УМ может быть реализована на основе широкоизвестных схем двуполярных импульсных усилителей. Датчик выходного напряжения (ДВН) включает измерительный резистивный делитель выходного напряжения, источник опорного напряжения Uo, схему выделения сигнала рассогласования UD на основе операционного усилителя, выполняющего функции усилителя сигнала рассогласования. Корректирующее звено реализуется на основе известных RC цепей с частотно-зависимым коэффициентом передачи. Использование предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, позволит создавать транзисторные преобразователи, в частности источники вторичного электропитания РЭА, отличающиеся практически полным отсутствием акустических шумов. Фиг. 1 Фиг. 2 4 39892 Фиг. 3 5 39892 Фиг. 4 6 Фиг. 5 39892 7 39892 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 8