Однотактный преобразователь переменного напряжения

)4 Н 02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ(54) ОДНОТ РЕМЕННОГО (57) Изобр разователь КТНЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕ АП 1 ЯЖЕНИЯтение относится к преобой технике, Цель изобреышение коэффициента потения - по лезного пеиствия за сч 1 еньшеп 6, 1982,идетельство СССРН 02 М 5/257, 198 кл. С 0Автор Ф 14102 ое л СЬ н двторСноМУ СвиДктельСтву(71) Научно в исследовательск инсттут автоматики и электромеханикипри Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники(56) Авторское свидетельство СССРФ 942237, кл. Н 02 Р 13/16,5 Е 01/1 динамических потерь в ключах дсмодулятора. Устройство содермт преобразовательные ячейки 1, 2, каждая из которых содерют мостовой инвертор 3, с первичной обмоткой 15 трансформатора, включенной в его диагональ, Вторичная обмотка 18 трансформатора подключена к демодулятору 12. Регулирование напряжения осушествляется изменением относительного времени и направления включения вторичной об мотки 18 между входным выводом 24 и выходным выводом 28, Работа устройства осуществляется по двухтактному циклу. В каждый такт в силовую цепь подключается обмотка трансформатора одной иэ преобразовательных ячеек 1, 2, тра нсформа тор другой пр ео бра 146 7705зовательной ячейки в это время размагничивается. В предложенном устройстве обеспечивается гарантированная длительность размагничивания, за счет чего достигается поставленная цель. 1 табл, 3 ил .1Изобретение относится к преобразовательной технике и может найтиприменение в системах электропитанияаппаратуры средств связи, измерительной и вычислительной техники. 5Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия эа счет уменьшения динамическихпотерь в ключах демодулятора,На Фиг,1 приведена функциональнаясхема устройства; на фиг.2 и 3 -временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства,Функциональная схема содержит преобразовательные ячейки 1 и 2, каждая 15из которых состоит из мостового инвертора 3 с основными ключами 4 и 5переменного тока и размагничивающими ключами 6 и 7, выполненнымив виде встречно включенных транзисторов 8 и 9 с обратными диодами 10и 11, демодулятора 12 на ключах 13и 14 переменного тока и трансформатора повышенной частоты, первичнаяобмотка 15 которого подключена к выходным выводам 16 и 17 мостового ин,вертора 3, а вторичная обмотка 18к входным выводам 19 и 20 демодулятора 12, При этом входные выводы 21и 22 инверторов 3 обоих ячеек 1 и 2объединены и образуют входные выводы23 и 24 устройства. Выходные выводы25 и 26 демодуляторов 12 преобразовательных ячеек 1 и 2 также объединены и образуют выходные выводы 27 35и 28 преобразовательных ячеек 1 и 2,Выходной вывод 27 соединен с входнымвыводом 23, а выходной вывод 28 -с первым входным выводом 29 выходного Фильтра 30, второй вывод которого 40соединен с выводом 24. Управляющиевходы ключей 4-7, мостового инвертора 3 и ключей 13 и 14 демодулятора12 преобразовательных ячеек 1 и 2 2подключены соответственно к выходам 31-36 двух распределителей 37 и 38 импульсов, информационный вход 39 которых соединен с информационным выходом 40 блока 41 управления, а их адресные входы 42 и 43 - с синхрониэирующими выходами 44-46 блока 41.Блок 4 1 состоит иэ входного вывода 47 последовательно включенных задающего генератора 48, генератора 49 пилообразного напряжения, амплитудного детектора 50, выход которого соединен с инвертирующим входом дифФеренциального усилителя 51, соединенного с инвертирующим входом второго компаратора 52, выход которого соединен с одним входом логического элемента 53 И-НЕ 2, выход которого образует информационный выход 40 блока 41 управления. К другому входу логического элемента 53 подключен выход компаратора 54, неинвертирующий вход которого объединен с инвертирующнм входом дифференциального усилителя 51 и образует управляющий вход 55 однотактного преобразователя переменного напряжения, Инвертирующий вход компаратора 54 объединен с неинвертирующим входом компаратора 52 и подключен к выходу генератора 49. Синхронизирующие входы 44-46 блока 41 образованы соответственно прямым и инверсным выходами Т - триггера 56 и выходом блока 5 7 контр оля поляр ности, вход которого подключен к входным выводам 23 и 24, а его выход 46 к адресным входам 43 распределителей 37 и 38. При этом прямой выход 44 Т-триггера 56 соединен с адресным входом 42 распределителя 37, а его инверсный выход 45 с адресным входом 42 распределителя 38. Вход Т- триггера 56 подключен к выходу задающего генератора 48. Инвертирующий1467705 Адресные входы Выходи 35 36 х х х х 0 0 х х 0 0 0 О 45 32 33 34 х 0 0 0 0 1 х 0 0 0 1 0 0 х х 1 0 0 0 х х 0 0 0 42 43 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 031 х 0 х 0 0 0 0 1 59 1 1 1 1 0 О 0 0 вход компаратора 58 подключен к выходу амплитудного детектора 50, неинвертирующий - к управляющему входу 55, а его выход подключен к дополнительному адресному входу 59распределителей 37 и 38. Каждый изосновных ключей 4 и 5 инверторов 3выполнен в виде встречно включенныхтранзисторов 60 и 61 с обратнымидиодами 62 и 63, выходные выводы25 и 26 каждого из демодуляторов 12образованы клеммами одного из ключей14, при этом выходы 31 и 32 каждогоиз распределителей 37 и 38 импульсов соединены с управляющими входами транзисторов 60 и 61 основныхключей 5 и 4, проводящих ток положительного и отрицательного направлений соответственно выходы 33 и 34 - 20с управляющими входами транзисторов8 и 9 размагничивающих ключей 6 и 7,проводящих ток положительного и отрицательного направлений соответственно выход 35 - с управляющим входом ключа 13, включенного последовательно с вторичной обмоткой 18, а,выход 36 - с управляющим входомключа 14, образующего выходные выводы 26 и 25 демодулятора 12. Каждый 30из распределителей 37 и 38 выполненв виде логического блока, реализующего следующую таблицу истинности,На Фиг.2 приняты следующие обозначения: напряжение 64 сети, сигнал 65 на выходе узла 57 контроля полярности; сигнал 66 на выходе генератора 49 пилообразного напряжения.;сигнал 67 управления на управляющем входе 55; сигнал 68 на выходе дифференциального усилителя 51; сигнал 69 на выходе первого компаратора 54; сигнал 70 (х) на выходе логического элемента 54; сигнал 71 на выходе компаратора 52; сигнал 72 на выходе компаратора 58, сигнал 73 на прячьивыходе блока 41 Т-триггера 561 напряжение 74 на входе вывода 29 выходного фильтра 30,На фиг.З обозначены: сигналы 75и 76 на управляющих входах транзисторов 60 и 61 сигналы 77 и 78 науправляющих входах транзисторов 8 и9 сигналь 79 и 80 на управляющихвходах ключей 14 и 13; сигналы 81 и82 на управляющих входах транэисторов 60 и 61; сигналы 83 и 84 науправляющих входах транзисторов 8 и9, сигналы 85 и 86 на управляющихвходах ключей 14 и 13.Устройство работает следующимобразом.Переменное напряжени е 64 с ети свходных выводов 23 и 24 поступаетна входнь 1 е выводы 21 и 22 мостовыхинверторов 3 преобразовательных ячеек 1 и 2 и на блок 57 контроля полярности, который при этом выдаетсигнал 65, Управление ключами 4-7,13 и 14 преобразовательных ячеек1 и 2 осуществляется сигналом с выхода 40 блока 41 управления черезраспределители 37 и 38 импульсов садресными входами 42, 43 и 59. Прямоугольные импульсы малой длительности (порядка одной микросекунды)с промежуточной частотой поступаютс выхода задающего генератора 48 насинхронизирующий вход генератора 49пилообразного напряжения, с выходакоторого напряжение поступает наобъединенные входы компараторов 54и 52, Одновременно на инвертирующийвход первого компаратора 54 поступает сигнал 67 с управляющего входа55. На выходе компаратора 54 формируется сигнал 69. На второй инвертирующий вход второго компратора 52поступает сигнал 68 с выхода дифференциального усилителя 51, равныйразности между сигналом 67 с управляющего входа 55 и постоянным сигналом с выхода амплитудного детектора50, равным амплитуде пилообразногонапряжения. На выходе компаратора52 формируется сигнал 71, которыйвместе с сигналом 69 поступает навходы логического элемента 53 И-НЕ 2,на выходе которого формируется сигнал 70 для управления ключами 4-7,13.и 14. Этот сигнал 70 поступает наинформационный вход 39 распределителей 37 и 38 импульсов. Преобразова1467705 6входные выводы. 23 и 24, транзистор9 и диод 10, вывод 16 первичной обмотки 15, осуществляется размагни 5чивание силового трансформатора преобразовательной ячейки 1. При отрицательной полярности напряжения 64на полупериоде размагничивания включены только транзисторы 8. Возвратиндуктивного тока намагничиванияпроисходит по контуру вывод 16,транзистор 8 и диод 11, входные выводы24 и 23, транзистор 8 и диод 11, вывод 17. Трансформатор преобразовательной ячейки 1 размагничивается,При уменьшении тока намагничивания 35 тельные ячейки 1 и 2 работают по очереди так, что на нечетных полупе" риодах сигнала 73, когда он равен ло гической единице, работает преобразовательная ячейка 1, а на четных, когда сигнал 73 равен логическому нулю, работает преобразовательная ,ячейка 2. Соответственно трансформатор преобразовательной ячейки 1 на нечетных полупериодах намагничивается, а на четных - размагничивается, а у ячейки 2 наоборот нечетные полупериоды (единицы сигнала 73) являются размагничивающнми, а четные (нули сигнала 73) - намагничивающими. Такая поочередная работа преобразовательных ячеек 1 и 2 достигается за счет того, что на адресный вход 42 распределителя 37 импульсов преобразовательной ячейки 1 подается сигнал 73 с прямого входа Т-триггера 56, в то время как на первый адресный вход 42 распределителя 38 преобразовательной ячейки 2 подается сигнал с инверсного выхода Т-триггера 56, Преобразовательные ячейки 1 и 2 работают одинаково только со сдвигом во времени на полупериод сигнала повышенной частоты, поэтому работа преобразовательных ячеек рассматривается на примере ячейки 1.В зависимости от величины сигнала 67 управления на управляющем входе 55 наблюдается пять режимов работы последнего.Если сигнал 67 меньше нуля (интервал времени О-й) - наблюдается режим максимальной вольтоотбавки,Навход,39 распределителей 37 и 38 пос 40 тупает сигнал 70, равный логической единице. На рабочем полупериоде од.новременно замкнуты транзисторы 60 и 61 ключей 4 и 5 инвертора 3 и ключ 13 емо лято а 12 на наг зке ейд ду Р э ру д ствует напряжение П мм = ц с-У - , потому что вторичная обмотка 18включена встречно по отношению к напряжению сети. Здесь П - напряжение 50 сети, У 2, М 2" число витков первичной обмотки 15 и вторичной обмотки 18, На полупериоде размагничивания при положительной полярности напряжения 64 включены только транзисторы 9 инвертора 3, происходит возврат индуктивного тока намагничивания в сеть по контуру: вывод 17 первичной обмотки 15, транзистор 9 и диод 10,до нуля диоды 10 и 11 выключаются, и процесс размагничивания заканчивается. На нагрузке в зто время действует напряжение преобразовательной ячейки 2, так как оба ключа 13 и 14 демодулятора 12 выключены.При изменении сигнала 67 управления в пределах 0 Бу(Б, где Б- амплитуда сигнала 66 (интервал времени ,-С 2), на вход 39 распределителей 37 и 38 поступает сигнал 70, который в пределах одного полу- периода повышенной частоты равен и нулю и единице. В этом случае наблюдается режим регулируемой вальтоотбавки. На рабочей части полупериода, когда сигнал 70 равен нулю,включен ключ 14 демодулятора 12, на нагрузке действует напряжение, равное напряжению сети, так как все остальные ключи преобразовательной ячейки 1 выключены. На рабочей части полупериода, где сигнал 70 равен единице, включены транзисторы 60 и 61 и ключ 13На нагрузке действуети 2 напряжение, равное Ц бр = Пс "су Среднее значение напряжения на нагрузке за полупериод равно 2Ъйх сРР с сРю где 0Р - напряжение сети среднее эа полупериод; у, - относительная длительность Г. , импульса (единицы) в сигнале 70 на полупериоде, Т, у; = = Си,/Т. Относительная длительность у, импульса изменяется от 1 до 0 при изменении Иот 0 до П.При У= У(интервал времени йй- з) наблюдается режим неискаженной передачи напряжения 64 сети на10 15 20 25 гсвих =Ос +Нс30 40 нагрузку, у,= О и напряжение на нагрузке, равное Б еь. ср = Бсср На входе 39 распределителей 37 и 38 действует сигнал 70, равный логическомунулю, На рабочем полупериоде всевремя замкнут ключ 14 демодулятора12, преобразовательные ячейки 1 и 2все время отключены от сети. На полупериоде .размагничивания все происходит так же как и ранее. При дальнейшем увеличении сигнала 67 и егоизменении в пределах У сБ2 Б п (интервал времени с -4) на входе 39распределителей 37 и 38 действуетсигнал .70, принимающий значение и 1,и 0 на каждом полупериоде сигнала повышенной частоты. При этом на частирабочего полупериода, где сигнал 70принимает значение 1 замкнуты транзисторы 8 и 9 и ключ 13 демодулятора12. На нагрузке действует напряжение,равное сумме напряжения 64 сети и напряжения на вторичной обмотке 18трансформатора пр еобра зоват ель нойячейки 1, т. е. потому что напряжение вторичной обмотки 18 включено согласно с напряжением сети. На части полупериода,где сигнал 70 равен нулю, включенключ 14 демодулятора 12, на нагрузке действует напряжение сети, таккак все ключи преобразовательнойячейки 1 выключены. Среднее значениенапряжения на нагрузке равно гживых ср Ос ср + Нс ор -Ъ где- относительная длительность С (единицы) в сигнале 70 на полуппериоде Т, т = Т /Т. Относительная длительностьимпульса изменяется5от 0 до 1 при изменении Бот Уп до 2 У. При У у) 20 п наблюдается режим максимальной вольтодобавки. На рабочем полупериоде замкнуты постоян. но транзисторы 8 и 9 ключей 6 и 7 и ключ 13 демодулятора 12. На полупериоде размагничивания при положительной полярности напряжения 64 вклв чены транзисторы 61 ключей 4 и 5,а при отрицательной - транзисторы 60.Реверс вольтодобавочного напряжения относительно напряжения 64 сети однозначно определяется величиной сигнала 67 управления и режимом работы распределителей 37 и 38 импульсов. Так при сигнале на адресномвходе 59 (режим вольтодобавки) сигнал 70 проходит на выход 31 и 32 ина выход 35. Сигнал размагничивания(это сигнал инверсный сигналу 73)поступает при положительной полярности напряжения 64 на выход 34, апри отрицательной полярности на выход 33. Сигнал 70 на рабочих полупериодах поступает на выход 36.Режим неискаженной передачи достигается включением ключа 14, демодулятора 12, при этом ключ 13 разомкнут и таким образом предотвращаетсяразряд собственной емкости обмоткичерез закороченный трансформатор,чемисключаются динамические потери иповышается коэффициент полезного действия,Дополнительным положительнымсвойством предлагаемого однотактногопреобразователя переменного напряжения является повышение эксплуатационной надежности работы из-за гарантированной длительности размагничивания,что позволяет изменять управляющий сигнал практически с неограниченной скоростью. Это приводит к увеличениюбыстродействия регулирования и стабилизации. 35 Формула и з обретения Однотактный преобразователь переменного напряжения, содержащий две преобразовательные ячейки, каждая из которых состоит из мостового инвертора с двумя основными ключами и двумя размагничивающкми ключами, выполненными в виде встречно включенных транзисторов с обратными диодами демодулятора на ключах, причем все ключи выполнены двунаправленными полностью управляемыми, и трансформатора повышенной частоты, первичная обмотка которого подключена к выходу инвертора, а вторичная - к входу де-. модулятора, при этом входы инверторов соединены с входными выводами, выходы демодуляторов объединены и образуют выходные выводы преобразовательных ячеек, причем их первый выходной вывод соединен с первым входным выводом, а второй - с первым входным выводом выходного фильтра, второй входной вывод которого соединен свторым входным выводом, управляющие входы ключей инвертора и демодулятора каждой из ячеек подключены соответственно к выходам двух распредели 5 телей импульсов, информационные входы которых соединены с информационным выходом блока управления, а их адресные входы - с синхронизируюшими выходами блока управления, который 1 О состоит из последовательно включенных задающего генератора, генератора пилообразного напряжения, амплитудного детектора, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, выходом соединенного с инвертирующим входом второго компаратора, выход которого соединен с одним входом логического элемента 2 И-НЕ, выход которого образует информационный выход блока управления, а к его другому входу подключен выход первого компаратора, неинвертируюпяй вход которого объединен с неинвертирующим входом дифференциаль ного усилителя и образует управляюшИй вход, причем инвертирующий вход первого компаратора объединен с неинвертирующим входом второго компаратора и подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, при этом синхронизируюшие выходы блока управления образованы соответственно прямым и инверсным выходами Т-триггера и выходом узла контроля полярности,35 вход которого подключен к входным выводам, а его выход - к вторым адресным входам распределителей импульсов обоих преобразовательных ячеек, при этом прямой выход Т-триггера соеди 40 нен с первым адресным входом распределителя импульсов первой преобразовательной ячейки, его инверсный выход - с первым адресным входом распределителя импульсов второй преобразовательной ячейки, его вход подключен к выходу задающего генератора,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения коэффициента полезного действия за счет уменьшения динамических потерь в ключах демодулятора, введены третий компаратор, инвертирующий вход которого подключенк выходу амплитудного детектора,неинвертируюшИй - к управляющему входу,а его выход подключен к введенномудополнительному адресному входу первого и второго распределителей импульсов, причем каждый из ключейинверторов выполнен в виде двухвстречно включенных транзисторов собратными диодами, выходные выводыкаждого из демодуляторов образованывыводами одного из его ключей, приэтом первый и второй выходы каждогоиз распределителей импульсов соединены соответственно каждый с управля.ющими входами пары транзисторов одного направления основных ключей,третий и четвертый выходы - соответственно каждый с управляющими входами пары транзисторов одного направления размагничивающих ключей, пятыйвыход - с управляющим входом ключадемодулятора, включенного последовательно с вторичной обмоткой трансформатора повышенной частоты, а шестой выход соединен с управляющимвходом ключа, образующего выходныевыводы демодулятора.