RU155317U1

RU155317U1 - ENERGY CONVERSION DEVICE

Info

Publication number: RU155317U1
Application number: RU2014148243/08U
Authority: RU
Inventors: Александр Андреевич Гераскин; Денис Владимирович Горелов; Константин Викторович Мещанов
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2015-09-27

Abstract

1. Устройство для преобразования энергии, содержащее задающий генератор, состоящий из насыщающегося трансформатора, транзисторов и токоограничивающих резисторов, соединенных с эмиттерами транзисторов, отличающееся тем, что дополнительно содержит усилитель мощности, состоящий из транзисторов, подключенных переходом Б-Э к соответствующим вторичным обмоткам насыщающегося трансформатора через формирователи управляющих сигналов, и трансформатора усилителя мощности, одними концами первичных обмоток, подключенными к коллекторам транзисторов усилителя мощности, а другими концами первичных обмоток соединенными через стабилизатор-регулятор напряжения с первичным источником питания, причем между эмиттерами транзисторов усилителя мощности и эмиттерами транзисторов задающего генератора и базами транзисторов, соединенных с токоограничивающими резисторами, введена обратная связь.2. Устройство для преобразования энергии по п. 1, отличающееся тем, содержит выпрямитель, соединенный с обмоткой трансформатора усилителя мощности и накопителем энергии, и стабилизатор напряжения, подключенный к первичному источнику напряжения и к общей точке трансформатора усилителя мощности.1. Device for converting energy, containing a master oscillator consisting of a saturable transformer, transistors and current-limiting resistors connected to the emitters of transistors, characterized in that it further comprises a power amplifier consisting of transistors connected by a transition B-E to the corresponding secondary windings of the saturable transformer through control signal shapers, and a power amplifier transformer, at one end of the primary windings connected to the transformer collectors power amplifier, and the other ends of the primary windings connected through a voltage regulator-regulator to a primary power source, and feedback is introduced between the emitters of the power amplifier transistors and the emitters of the transistors of the master oscillator and the bases of the transistors connected to the current-limiting resistors. 2. The energy conversion device according to claim 1, characterized in that it comprises a rectifier connected to the winding of the power amplifier transformer and an energy storage device, and a voltage stabilizer connected to the primary voltage source and to a common point of the power amplifier transformer.

Description

Устройство для преобразования энергииEnergy conversion device

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использовано в системах преобразования энергии для питания различного рода потребителей в частности, при высоких напряжениях с емкостным накопителем на выходе источника преобразования энергии.The utility model relates to electrical engineering and can be used in energy conversion systems to power various kinds of consumers, in particular, at high voltages with a capacitive storage at the output of the energy conversion source.

Известно устройство для преобразования напряжения с внешним возбуждением, содержащее задающий генератор с насыщающимся трансформатором, широтно-импульсный модулятор напряжения управления усилителем мощности с трансформатором Т2, к вторичной обмотке которого подключен двухполупериодный выпрямитель с LC фильтром, выделяющем постоянную составляющую, пропорциональную ширине импульсов широтно-импульсного модулятора. А.А. Бас, В.П. Миловзоров, А.К. Мусолин Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. М., «Радио и связь», 1987 г. с. 128, рис. 7-5.A device is known for converting voltage with external excitation, comprising a master oscillator with a saturable transformer, a pulse-width modulator for controlling the power amplifier with a transformer T2, to the secondary winding of which a half-wave rectifier with an LC filter is connected, which emits a constant component proportional to the pulse width of the pulse-width modulator . A.A. Bass, V.P. Milovzorov, A.K. Musolin Secondary power supplies with transformerless input. M., "Radio and Communications", 1987 p. 128, fig. 7-5.

Недостатком устройства является возникновение подмагничивания трансформатора Т2 из-за неравенства напряжений (по амплитуде и длительности) подаваемых на обмотки трансформатора. Различные по величине падения напряжения, возникающие в элементах схемы, увеличивают токи через обмотки трансформатора и транзисторы усилителя мощности, что понижает надежность устройства.The disadvantage of this device is the occurrence of magnetization of the transformer T2 due to the inequality of the voltage (in amplitude and duration) supplied to the transformer windings. Different voltage drops occurring in the circuit elements increase the currents through the transformer windings and transistors of the power amplifier, which reduces the reliability of the device.

Известно устройство для заряда накопительного конденсатора генератора мощных импульсов, содержащее два входных вывода для подключения источника переменного тока, положительный и отрицательный выходные выводы для подключения заряжаемого накопительного конденсатора, а также вентильно-конденсаторный выпрямитель-учетверитель напряжения, образованный тремя дозирующими конденсаторами и цепочкой из четырех соединенных последовательно-согласно вентилей, катод первого вентиля которой образует положительный, анод четвертого вентиля - отрицательный выходной выводы, первый дозирующий конденсатор одной обкладкой подключен к точке соединения первого и второго вентилей, а его вторая обкладка подключена к точке соединения третьего и четвертого вентилей, второй дозирующий конденсатор одной обкладкой подключен к точке соединения второго и третьего вентилей непосредственно и через третий дозирующий конденсатор - к отрицательному выходному выводу, точка соединения третьего и четвертого вентилей образует первый входной вывод, при этом вывод другой обкладки второго дозирующего конденсатора образует второй входной вывод устройства. Патент РФ №2364021, МПК Н03К 3/53, Н02М 3/335, 2009 г.A device is known for charging a storage capacitor of a powerful pulse generator, comprising two input terminals for connecting an alternating current source, positive and negative output terminals for connecting a rechargeable storage capacitor, and a valve-condenser rectifier-voltage calculator formed by three metering capacitors and a chain of four connected sequentially according to the valves, the cathode of the first valve of which forms a positive, the anode of the fourth valve - from negative output terminals, the first metering capacitor is connected to the connection point of the first and second valves by one lining, and its second circuit is connected to the connection point of the third and fourth valves, the second metering capacitor is connected by the same lining to the connection point of the second and third valves directly and through the third metering capacitor - to the negative output terminal, the connection point of the third and fourth valves forms the first input terminal, while the output of the other plate of the second dosing th capacitor forms the second input terminal of the device. RF patent No. 2364021, IPC Н03К 3/53, Н02М 3/335, 2009

Недостатком устройства является узкие функциональные возможности, а именно, отсутствие возможности питания постоянным напряжением и возможности регулирования величины зарядного напряжения накопительного конденсатора.The disadvantage of this device is the narrow functionality, namely, the lack of power supply with constant voltage and the ability to control the magnitude of the charging voltage of the storage capacitor.

Наиболее близким по технической сущности является устройство магнитно-транзисторного преобразователя с насыщающимся трансформатором, который одновременно выполняет функцию времязадающего элемента. Преобразователь выполнен по двухтактной схеме на двух транзисторах, к эмиттерам которых присоединены резисторы, при протекании тока через которые на них выделяется напряжение пропорциональное протекающему току. Параллельно каждому из резисторов подключен переход Б-Э дополнительного транзистора. Коллекторы этих дополнительных транзисторов подключены к базам транзисторов преобразователя. К базе одного транзистора преобразователя подключен резистор Rсм, другим концом соединенный с первым входом источника питания. А.А. Бас, В.П. Миловзоров, А.К. Мусолин. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. М., «Радио и связь», 1987 г. с. 99-100, рис. 5-9, прототип.The closest in technical essence is the device of a magnetic transistor converter with a saturable transformer, which simultaneously performs the function of a timing element. The converter is made in a push-pull circuit with two transistors, to the emitters of which resistors are connected, when current flows through them, a voltage proportional to the flowing current is allocated to them. In parallel to each of the resistors, a BE transition of an additional transistor is connected. The collectors of these additional transistors are connected to the transistor bases of the converter. A resistor Rcm is connected to the base of one transistor of the converter, the other end is connected to the first input of the power source. A.A. Bass, V.P. Milovzorov, A.K. Musolin. Secondary power supplies with transformerless input. M., "Radio and Communications", 1987 p. 99-100, fig. 5-9, prototype.

Недостатками прототипа является низкая надежность и значительное увеличение помех, проявляющиеся при работе на большую нагрузку, так как при этом в устройстве применяются мощные транзисторы, рассчитанные на большие токи со свойственными им недостатками: инерционность по сравнению с маломощными высокочастотными транзисторами. При этом время переключения и длительность тока переключения увеличиваются, что снижает надежность и увеличивает помехи. Кроме этого есть вероятность незапуска преобразователя при большом токе в нагрузке, например, при большой емкости в нагрузке одной из обмоток трансформатора, что равносильно режиму короткого замыкания обмотки при начале работы устройства.The disadvantages of the prototype are low reliability and a significant increase in interference, which are manifested when working under heavy load, since this device uses powerful transistors designed for high currents with their inherent disadvantages: inertia compared to low-power high-frequency transistors. At the same time, the switching time and the duration of the switching current are increased, which reduces reliability and increases interference. In addition, there is a possibility of the converter not starting at a high current in the load, for example, with a large capacitance in the load of one of the transformer windings, which is equivalent to the short circuit mode of the winding at the start of operation of the device.

Техническим результатом является повышение надежности и уменьшение помех.The technical result is to increase reliability and reduce interference.

Технический результат достигается тем, что устройство для преобразования энергии содержащее задающий генератор, состоящий из насыщающегося трансформатора, транзисторов и токоограничивающих резисторов, соединенных с эмиттерами транзисторов, дополнительно содержит усилитель мощности, состоящей из транзисторов, подключенных переходом Б-Э к соответствующим вторичным обмоткам насыщающегося трансформатора через формирователи управляющих сигналов, и трансформатора усилителя мощности, одними концами первичных обмоток, подключенными к коллекторам транзисторов усилителя мощности, а другими концами первичных обмоток соединенными через стабилизатор-регулятор напряжения с первичным источником питания, причем между эмиттерами транзисторов усилителя мощности и эмиттерами транзисторов задающего генератора и базами транзисторов, соединенных переходами Б-Э с токоограничивающими резисторами, введена обратная связь, выпрямитель, соединенный с обмоткой трансформатора усилителя мощности и накопителем энергии.The technical result is achieved by the fact that the device for energy conversion containing a master oscillator consisting of a saturable transformer, transistors and current-limiting resistors connected to the emitters of transistors, further comprises a power amplifier consisting of transistors connected by a transition B-E to the corresponding secondary windings of the saturated transformer through drivers of the control signals, and the transformer of the power amplifier, one ends of the primary windings connected to to the amplifiers of the power amplifier transistors, and to the other ends of the primary windings connected through a voltage regulator-regulator to the primary power source, and feedback is introduced between the emitters of the power amplifier transistors and the emitters of the transistors of the master oscillator and the bases of the transistors connected by the B-E junctions with current-limiting resistors connected to the winding of the transformer of the power amplifier and energy storage.

На чертеже представлено устройство для преобразования энергии. Устройство состоит из задающего генератора 1 на транзисторах VT1 и VT3 подключенных коллекторами к первичным обмоткам W1 и W2 трансформатора Т1, вторые концы которых подключены к плюсовому выводу источнику первичного питания Uвх через стабилизатор-регулятор 5. Обмотка положительной обратной связи W3 трансформатора Т1 подключена через резистор R4 между базами транзисторов VT1, VT3. Эмиттеры транзисторов VT1 и VT3 подключены соответственно к токоограничивающим резисторам R1 и R3 и базам транзисторов VT2 и VT4, коллекторы которых подключены к базам транзисторов VT1 и VT3 соответственно. Эмиттеры транзисторов VT2 VT4 соединены с вторыми концами токоограничивающих резисторов R1 R3 и подключены к минусовому выводу источнику первичного питания. Вторичные обмотки W4 и W5 трансформатора Т1 через цепи 2 и 3 формирующие сигналы управления усилителем мощности 4 подключены между базами и эмиттерами транзисторов VT5 VT6, причем эмиттеры транзисторов VT5 VT6 соединены с эмиттерами транзисторов VT1, VT3, базами VT2, VT4 и токоограничивающими резисторами R1, R3 задающего генератора. Коллекторы транзисторов VT5 VT6 соединены с первичными обмотками W1 и W2 трансформатора Т2, вторые концы которых подключены через стабилизатор напряжения 5 к плюсовому выводу первичного источника Uвх. Обмотка W3 через высоковольтный выпрямитель 6 соединена с накопителем энергии 7.The drawing shows a device for converting energy. The device consists of a master oscillator 1 on transistors VT1 and VT3 connected by collectors to the primary windings W1 and W2 of transformer T1, the second ends of which are connected to the positive output of the primary power supply Uin through regulator-regulator 5. The positive feedback winding W3 of transformer T1 is connected through resistor R4 between the bases of transistors VT1, VT3. The emitters of transistors VT1 and VT3 are connected respectively to current-limiting resistors R1 and R3 and the bases of transistors VT2 and VT4, the collectors of which are connected to the bases of transistors VT1 and VT3, respectively. The emitters of transistors VT2 VT4 are connected to the second ends of the current-limiting resistors R1 R3 and connected to the negative terminal to the primary power source. The secondary windings W4 and W5 of transformer T1 through circuits 2 and 3 generating control signals of power amplifier 4 are connected between the bases and emitters of transistors VT5 VT6, and the emitters of transistors VT5 VT6 are connected to the emitters of transistors VT1, VT3, bases VT2, VT4 and current-limiting resistors R1, R3 master oscillator. The collectors of transistors VT5 VT6 are connected to the primary windings W1 and W2 of the transformer T2, the second ends of which are connected through a voltage regulator 5 to the positive output of the primary source Uin. The winding W3 through a high-voltage rectifier 6 is connected to the energy storage 7.

Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:

При подаче напряжения питания в задающем генераторе 1 начинает протекать ток по цепи: плюсовой вывод источника питания - R2 - (Б-Э) транзистора VT1 - резистор R1 - минусовой вход источника питания. Транзистор VT1 открывается и начинает протекать ток по цепи: плюсовой вход источника питания - обмотка W1 трансформатора Т1 - переход К-Э транзистора VT1 - резистор R1 - минусовой вход источника питания. На коллекторной обмотке W1 трансформатора Т1 наводится напряжение, на остальных обмотках трансформатора Т1 также наводится напряжение. Базовая обмотка W3, через резистор Rб, обеспечивает протекание тока, поддерживая открытым транзистор VT1 и закрытым VT3. Протекая через резистор R1, в цепи эмиттера первого транзистора VT1, на резисторе выделяется напряжение. Через какое-то время трансформатор начнет насыщаться (резко уменьшается индуктивность намагничивания коллекторной обмотки W1 трансформатора) при этом ток начинает увеличиваться и падение напряжения на резисторе R1 в цепи эмиттера также увеличивается. Как только падение напряжения на резисторе R1 достигнет величины открытия дополнительного транзистора VT2, начнется закрытие первого транзистора VT1 и открытие второго транзистора VT3 преобразователя. Изменится полярность напряжения на обмотках трансформатора. Начинается процесс генерации преобразователя. Напряжение с обмоток W4, W5 через цепи 2 и 3 формирующие сигналы управления усилителем мощности 4 поступает на переходы Б-Э транзисторов VT5, VT6. Транзистор VT5 открывается, a VT6 закрывается. Через транзистор VT5 протекает ток от плюсового вывода источника питания через стабилизатор 5, обмотку W1 трансформатора Т2, переход К-Э транзистора VT5, резистор R1, минусовой вывод источника питания. К обмотке W1 трансформатора Т2 прикладывается напряжение равное U выхода стабилизатора 5 минус падение напряжения на переходе К-Э транзистора VT5 и минус падение напряжения на резисторе R1. На вторичной обмотке W3 трансформатора Т2 наводится напряжение определяемое коэффициентом трансформации трансформатора Т2. При смене полярности напряжения на обмотках W4, W5 трансформатора Т1 транзистор VT5 закрывается, а транзистор VT6 открывается и происходит смена полярности на обмотках трансформатора Т2. Напряжение с обмотки W3 через высоковольтный выпрямитель - умножитель напряжения поступает на накопитель энергии 7.When the supply voltage is supplied to the master oscillator 1, current flows through the circuit: the positive output of the power source is R2 - (BE) of the transistor VT1 - resistor R1 is the negative input of the power source. Transistor VT1 opens and current flows through the circuit: the positive input of the power source - the winding W1 of the transformer T1 - the transition K-E of the transistor VT1 - the resistor R1 - the negative input of the power source. Voltage is induced on the collector winding W1 of transformer T1, voltage is also induced on the remaining windings of transformer T1. The base winding W3, through the resistor Rb, provides the flow of current, keeping transistor VT1 open and VT3 closed. Flowing through the resistor R1, in the emitter circuit of the first transistor VT1, a voltage is released on the resistor. After some time, the transformer begins to become saturated (the magnetization inductance of the collector winding W1 of the transformer decreases sharply), while the current begins to increase and the voltage drop across the resistor R1 in the emitter circuit also increases. As soon as the voltage drop across the resistor R1 reaches the opening value of the additional transistor VT2, the first transistor VT1 closes and the second transistor VT3 opens. The polarity of the voltage across the transformer windings will change. The process of generating the converter begins. The voltage from the windings W4, W5 through circuits 2 and 3 forming the control signals of the power amplifier 4 is supplied to the transitions BE-transistors VT5, VT6. Transistor VT5 opens, and VT6 closes. Through the transistor VT5, current flows from the positive output of the power source through the stabilizer 5, the winding W1 of the transformer T2, the transition K-E of the transistor VT5, the resistor R1, the negative output of the power source. A voltage equal to U of the stabilizer output 5 is applied to the winding W1 of transformer T2 minus the voltage drop at the K-E transition of VT5 and minus the voltage drop across resistor R1. On the secondary winding W3 of transformer T2, a voltage is determined that is determined by the transformation coefficient of transformer T2. When the polarity of the voltage across the windings W4, W5 of the transformer T1 changes, the transistor VT5 closes, and the transistor VT6 opens and the polarity changes on the windings of the transformer T2. The voltage from the winding W3 through a high-voltage rectifier - voltage multiplier is supplied to the energy storage 7.

Введенная обратная связь позволила уменьшить (ограничить) токи, проходящие через транзисторы и трансформаторы усилителя мощности и задающего генератора преобразователя напряжения. Ограничение (уменьшение) величины коммутируемых токов через транзисторы и трансформаторы повышает надежности и уменьшает помехи при коммутации. При этом происходит ограничение токов подмагничивания трансформаторов устройства. Одновременно ограничиваются токи заряда накопителя энергии, что позволяет обеспечить плавный заряд накопителя энергии.The introduced feedback made it possible to reduce (limit) the currents passing through the transistors and transformers of the power amplifier and the master oscillator of the voltage converter. Limiting (decreasing) the value of switched currents through transistors and transformers increases reliability and reduces interference during switching. In this case, the bias currents of the transformers of the device are limited. At the same time, the charge currents of the energy storage are limited, which ensures a smooth charge of the energy storage.

Величина напряжения заряда накопителя энергии определяется уровнем выходного напряжения стабилизатора 5. Регулирование уровня запасаемой энергии в накопителе, в зависимости от необходимости, позволило расширить функциональные возможности применения устройства.The magnitude of the charge voltage of the energy storage device is determined by the output voltage level of the stabilizer 5. Regulation of the level of stored energy in the drive, depending on the need, allowed to expand the functionality of the device.

Claims

1. Device for converting energy, containing a master oscillator consisting of a saturable transformer, transistors and current-limiting resistors connected to the emitters of transistors, characterized in that it further comprises a power amplifier consisting of transistors connected by a transition B-E to the corresponding secondary windings of the saturable transformer through control signal shapers, and a power amplifier transformer, at one end of the primary windings connected to the transformer collectors power amplifier tori, and at the other ends of the primary windings connected through a voltage regulator-regulator to a primary power source, feedback is introduced between the emitters of the power amplifier transistors and the emitters of the transistors of the master oscillator and the bases of the transistors connected to the current-limiting resistors.

2. The device for converting energy according to claim 1, characterized in that it comprises a rectifier connected to the winding of the power amplifier transformer and an energy storage device, and a voltage stabilizer connected to the primary voltage source and to a common point of the power amplifier transformer.