Стабилизатор переменного напряжения

 

Изобретение может быть использовано для обеспечения стабилизации номинального выходного напряжения. Технический результат: повышение надежности работы устройства в широком диапазоне условий и улучшение его эксплуатационных характеристик. Стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор вольтодобавки с выходной основной обмоткой, первой и второй дополнительными обмотками, выполненными с возможностью включения согласно или встречно с выходной основной обмоткой, отличается тем, что общее число дополнительных обмоток трансформатора составляет N с возможностью включения согласно или встречно с выходной основной обмоткой посредством управляемых коммутирующих элементов, число которых равно (N+1), при этом вход стабилизатора связан с входом первого коммутирующего элемента, первый выход которого подсоединен к началу первой дополнительной обмотки и к первому выходу второго коммутирующего элемента, второй выход первого коммутирующего элемента соединен с вторым выходом второго коммутирующего элемента и с входом (N+1) коммутирующего элемента, первый выход которого подключен к концу, а второй выход - к началу N дополнительной обмотки, первые выходы третьего, четвертого и так до N коммутирующих элементов соединены с концами второй, третьей и так до (N-1) дополнительных обмоток, а вторые выходы этих коммутирующих элементов подключены к началам второй, третьей и так до (N-1) дополнительных обмоток, входы каждого N коммутирующего элемента, начиная с третьего, соединены с вторым входом (N+1) коммутирующего элемента, вход стабилизатора через блок измерения средневыпрямленного значения сетевого напряжения связан с первым входом сумматора, на второй вход которого подведено опорное напряжение, соответствующее номинальному выходному напряжению стабилизатора, при этом выход сумматора через блок выделения модуля связан с соединенными вместе первыми входами первого, второго, третьего и так до N нуль-органами, кроме того, выход сумматора через (N+1) нуль-орган подключен к управляющему входу первого ключа непосредственно, а к управляющему входу второго ключа - через инвертор, а на вторые входы первого, второго, третьего и т.д. до N нуль-органов подключены первый, второй, третий и так до N источники опорного напряжения соответственно, при этом величина опорного напряжения зависит от выбранных напряжений первой, второй, третьей и так до N дополнительных обмоток, причем выход первого нуль-органа через первый ключ соединен с управляющим входом первого коммутирующего элемента. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для обеспечения стабилизации номинального выходного напряжения.

Известен стабилизатор переменного напряжения (см. статью О. Ященко Стабилизатор переменного напряжения, журнал "Радио", 1, 1981 г., с. 10-12), который содержит трансформатор вольтодобавки с тремя обмотками, одна из которых постоянно включена последовательно с нагрузкой, а две другие автоматически переключаются в зависимости от напряжения сети.

Это устройство имеет следующие недостатки: наличие обмотки, постоянно включенной последовательно с нагрузкой, сопровождается потерями напряжения и пониженным КПД. Схема управления силовыми реле выполнена на вспомогательных реле, уровни срабатывания которых обеспечиваются добавочными сопротивлениями в цепи их обмоток. Этот способ управления имеет низкую точность, т.к. изменение сопротивления обмотки реле за счет нагрева приводит к изменению напряжений срабатывания и отпускания.

Известен также стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор вольтодобавки с выходной основной обмоткой и согласно выключенными первой и второй дополнительными обмотками (см. статью А. Когана Электронно-релейный стабилизатор напряжения, журнал "Радио", 8, 1991 г., с.34-36). В этом устройстве используется трансформатор вольтодобавки, одна из обмоток которого подключена к питающей сети, а две другие включаются согласно или встречно с первой обмоткой, что должно обеспечивать поддержание напряжения на выходе стабилизатора в данных пределах.

Недостатки этого устройства следующие: Если сетевая обмотка рассчитана на номинальное напряжение 220 В, то повышенное сетевое напряжение вызовет насыщение трансформатора, его перегрев и возникновение аварийной ситуации. Если сетевая обмотка рассчитана на максимально возможное сетевое напряжение, то это соответствует завышенным массо-габаритным показателям устройства. Кроме этого, пороги срабатывания реле, переключающих обмотки трансформатора, определяются напряжениями стабилизации стабилитронов, что требует индивидуального подбора этих элементов и усложняет настройку. Напряжение, которое используется для питания реле, зависит от напряжения сети, что при пониженном напряжении может привести к сбоям в переключении, а при повышенном - к перегреву обмоток реле и выходу их из строя.

Задача, на решение которой направлено заявленное устройство, выражается в повышении надежности работы устройства в широком диапазоне условий и улучшении его эксплуатационных характеристик.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении устойчивой и эффективной работы вне зависимости от величины сетевого напряжения, упрощении настройки устройства.

Для решения поставленной задачи стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор вольтодобавки с выходной основной обмоткой, первой и второй дополнительными обмотками, выполненными с возможностью включения согласно или встречно с выходной основной обмоткой, отличается тем, что общее число дополнительных обмоток трансформатора составляет N с возможностью включения согласно или встречно с выходной основной обмоткой посредством управляемых коммутирующих элементов, число которых равно (N+1), при этом вход стабилизатора связан со входом первого коммутирующего элемента, первый выход которого подсоединен к началу первой дополнительной обмотки и к первому выходу второго коммутирующего элемента, второй выход первого коммутирующего элемента соединен со вторым выходом второго коммутирующего элемента и со входом (N+1) коммутирующего элемента, первый выход которого подключен к концу, а второй выход - к началу N дополнительной обмотки, первые выходы третьего, четвертого и так до N коммутирующих элементов соединены с концами второй, третьей и так до (N-1) дополнительных обмоток, а вторые выходы этих коммутирующих элементов подключены к началам второй, третьей и так до (N-1) дополнительных обмоток соответственно, вход каждого коммутирующего элемента с третьего по N-ый соединен со вторым выходом коммутирующего элемента с номером, на единицу большим, вход стабилизатора через блок измерения средневыпрямленного значения сетевого напряжения связан с первым входом сумматора, на второй вход которого подведено опорное напряжение, соответствующее номинальному выходному напряжению стабилизатора, при этом выход сумматора через блок выделения модуля связан с соединенными вместе первыми входами первого, второго, третьего и так до N нуль-органами, кроме того, выход сумматора через (N+1) нуль-орган подключен к управляющему входу первого ключа непосредственно, а к управляющему входу второго ключа - через инвертор, а на вторые входы первого, второго, третьего и так до N нуль-органов подключены первый, второй, третий и так до N источники опорного напряжения соответственно, при этом величина опорного напряжения зависит от выбранных напряжений первой, второй, третьей и т.д. до N-дополнительных обмоток, причем выход первого нуль-органа через первый ключ соединен с управляющим входом первого коммутирующего элемента, а через второй ключ связан с управляющим входом второго коммутирующего элемента, выходы второго, третьего и так до N нуль-органов связаны с управляющими входами третьего, четвертого и так до (N+1)-коммутирующих элементов соответственно, при этом начало основной выходной обмотки использовано как выход стабилизатора, а конец этой обмотки подключен к нулевому проводу сети.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом. Благодаря данной совокупности существенных признаков удалось создать устройство, обеспечивающее широкий (практически неограниченный) рабочий диапазон устройства при высокой точности регулирования выходного напряжения.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана функциональная схема устройства.

В состав устройства входит трансформатор вольтодобавки 1, содержащий выходную обмотку W₀ и N секций W₁, W₂,W₃...W_n, первый, второй, третий, четвертый и т. д. до (N+1)-го коммутирующие элементы 2, 3, 4, 5, 6 соответственно, первый, второй, третий, четвертый и т.д. до (N+1)-го нуль-органы 7, 8, 9, 10, 11 соответственно, блок 12 измерения средневыпрямленного значения сетевого напряжения, сумматор 13, блок 14 выделения модуля рассогласования, инвертор 15 и управляемые ключи 16, 17. Нуль-органы имеют петлевые характеристики, обеспечивающие заданную помехоустойчивость.

В качестве коммутирующих элементов могут быть использованы реле известной конструкции с переключающим контактом, например управляемые коммутирующие элементы, применяемые в заявленном устройстве, имеют "вход", "первый выход", "второй выход" и "управляющий вход". На чертеже выводы контактов соответственно обозначены как "вх.", "1 вых." и "2 вых.", а вывод обмотки реле (управляющий вход) не обозначены.

В качестве нуль-органов могут быть использованы операционные усилители, включенные по схеме компараторов. В качестве блока измерения средневыпрямленного значения сетевого напряжения могут быть использованы выпрямитель с симметричным фильтром. В качестве сумматора могут быть использованы операционные усилители, включенные по известной схеме. Блок выделения модуля рассогласования выполнен по известной схеме на двух операционных усилителях. В качестве инвертора использован транзистор, включенный по схеме с общим эмитером. В качестве управляемых ключей использованы аналоговые ключи на основе известных микросхем.

Средневыпрямленная величина сетевого напряжения с выхода блока 12 поступает на первый вход сумматора 13, на второй вход этого сумматора подается опорное напряжение U₀, соответствующее номинальному выходному напряжению стабилизатора. На выходе сумматора 13 выделяется рассогласование между величиной сетевого напряжения и заданным выходным номинальным напряжением. Выход блока 13 подключен на вход нуль-органа 7 и через блок выделения модуля 14 - на соединенные вместе входы нуль-органов 8, 9, 10, 11. Выход нуль-органа 7 подключен к управляющему входу ключа 16 непосредственно, а к управляющему входу ключа 17 - через инвертор 15. На вторые входы нуль-органов 8, 9, 10, 11 поступают опорные напряжения U₁, U₂, U₃, U_N, величины которых зависят от выбранных напряжений секций W₁, W₂, W₃...W_n соответственно, причем опорное напряжение U₂ соответствует половине напряжения секции N₁, причем связь между опорными напряжениями U_i и напряжениями секций V_i устанавливается следующими соотношениями: где К - постоянный коэффициент.

Выход нуль-органа 8 через ключ 6 подсоединен к управляющему входу коммутирующего элемента 2, а через ключ 7 - к управляющему входу коммутирующего элемента 3. Выходы нуль-органов 9, 10, 11 подключены на управляющие входы коммутирующих элементов 4, 5, 6 соответственно.

Нуль-орган 7 находится в отключенном состоянии при отрицательном рассогласовании на выходе блока 13 (напряжение сети меньше номинального) и во включенном состоянии - при положительном рассогласовании. При этом высокий уровень напряжения на выходе включенного нуль-органа 7 вызывает включение ключа 16 и через инвертор 15 - отключение ключа 17, а низкий уровень напряжения на выходе отключенного нуль-органа 7 переводит ключи 16-17 в противоположное состояние.

Фазный провод питающей сети подключен на вход блока 12 и к коммутирующему элементу 2. Нулевой провод является общим.

Устройство работает следующим образом.

Если модуль рассогласования между средневыпремленной величиной сетевого напряжения и заданным номинальным напряжением меньше опорного напряжения U₂, то нуль-органы 8, 9, 10, 11 находятся в отключенном состоянии и, соответственно, коммутирующие элементы 2, 3, 4, 5, 6 также находятся в отключенном состоянии. При этом фазный провод сети через коммутирующие элементы 2 и 3 соединен с выходом устройства.

Если сетевое напряжение увеличивается и при этом модуль рассогласования на выходе блока 14 достигает уровня переключения нуль-органа 8 (напряжение U₂ плюс ширина помехозащитной петли), то высокий уровень напряжения с выхода нуль-органа 8 через замкнутый ключ 16 поступает на управляющий вход коммутирующего элемента 2, что вызывает его переключение.

При этом повышенное сетевое напряжение прикладывается через включенный коммутирующий элемент 2 и отключенные коммутирующие элементы 3, 4, 5, 6 к согласно включенным обмоткам W₁ и W₀. Соответственно напряжение на выходной обмотке W₀ уменьшится и на выходе стабилизатора напряжение сохраняется в заданных пределах.

Дальнейшее повышение сетевого напряжения вызывает последовательное срабатывание нуль-органов 9, 10, 11 и, соответственно, коммутирующих элементов 4, 5, 6 так, что к согласно включенным обмоткам W₀ и W₁ последовательно согласно подключаются обмотки W₂ и W₃ и т.д. до обмотки W_n, что обеспечивает стабилизацию напряжения на выходе устройства в заданных пределах.

При уменьшении сетевого напряжения ключи 16 и 17 переходят в противоположное состояние и при достижении величиной модуля рассогласования с выхода блока 14 уровня переключения нуль-органа 8 высокий уровень напряжения с выхода последнего через замкнутый ключ 17 поступает на управляющий вход коммутирующего элемента 3, что вызывает его переключение и включение обмотки W₁ встречно с выходной обмоткой W₀. Соответственно напряжение на выходной обмотке W₀ увеличивается и на выходе стабилизатора напряжение сохраняется в заданных пределах. При дальнейшем понижении сетевого напряжения работа устройства происходит аналогично режиму повышения напряжения, но обмотки W₃, W₃ и т.д. до обмотки W_n+1 подключаются встречно.

Формула изобретения

Стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор вольтодобавки с выходной основной обмоткой, первой и второй дополнительными обмотками, выполненными с возможностью включения согласно или встречно с выходной основной обмоткой, отличающийся тем, что общее число дополнительных обмоток трансформатора составляет N, и все они выполнены с возможностью включения согласно или встречно с выходной основной обмоткой посредством управляемых коммутирующих элементов, число которых равно (N+1), при этом вход стабилизатора связан со входом первого коммутирующего элемента, первый выход которого подсоединен к началу первой дополнительной обмотки и к первому выходу второго коммутирующего элемента, второй выход первого коммутирующего элемента соединен со вторым выходом второго коммутирующего элемента и со входом (N+1)-го коммутирующего элемента, первый выход которого подключен к концу, а второй выход - к началу N-ой дополнительной обмотки, первые выходы третьего, четвертого и так до N коммутирующих элементов соединены с концами второй, третьей и так до (N-1)-ой дополнительных обмоток, соответственно, а вторые выходы этих коммутирующих элементов подключены к началам второй, третьей и так до (N-1)-ой дополнительных обмоток, соответственно, вход каждого коммутирующего элемента с третьего по N-ый соединен со вторым выходом коммутирующего элемента с номером на единицу большим, вход стабилизатора через блок измерения средневыпрямленного значения сетевого напряжения связан с первым входом сумматора, на второй вход которого подведено опорное напряжение, соответствующее номинальному выходному напряжению стабилизатора, при этом выход сумматора через блок выделения модуля связан с соединенными вместе первыми входами первого, второго, третьего и так до (N+1)-го нуль-органами, кроме того, выход сумматора через (N+1)-ый нуль-орган подключен к управляющему входу первого ключа непосредственно, а к управляющему входу второго ключа - через инвертор, на вторые входы первого, второго, третьего и т. д. до N-го нуль-органов подключены первый, второй, третий и так до N-го источники опорного напряжения соответственно, при этом величина опорного напряжения зависит от выбранных напряжений первой, второй, третьей и т. д. до N-ой дополнительных обмоток, причем выход первого нуль-органа через первый ключ соединен с управляющим входом первого коммутирующего элемента, а через второй ключ связан с управляющим входом второго коммутирующего элемента, выходы второго, третьего и так до N-го нуль-органов связаны с управляющими входами третьего, четвертого и так до (N+1)-го коммутирующих элементов соответственно, при этом начало основной выходной обмотки использовано как выход стабилизатора, а конец этой обмотки подключен к нулевому проводу сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1