RU2187193C2

RU2187193C2 - Filter capacitor charger

Info

Publication number: RU2187193C2
Application number: RU2000115094A
Authority: RU
Inventors: В.В. Наговицын; Б.С. Сергеев; К.Е. Сорокин
Original assignee: Уральский государственный университет путей сообщения
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2002-08-10

Abstract

FIELD: power supplies with primary DC voltage line. SUBSTANCE: device has DC voltage pulse converter with filter capacitor at its input in the form of superhigh-intensity pulsed capacitor. During initial moment capacitor is charged through limiting resistor and starting current pulse amplitude is brought to desired level. Then, as starting current reduces, thyristor is turned on to short out the resistor. Thyristor is turned on by discharging the capacitor through its gate electrode upon driving control transistor in conduction. Threshold turn-on level of thyristor is found by selecting stabilization voltage of voltage regulator diode that determines moment of driving auxiliary transistor in conduction to build up base current of transistor. Initial period of capacitor charging lasts until desired level of filter capacitor is attained. EFFECT: reduced power dissipated by circuit components and, hence, enhanced efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразователям постоянного (входного) в постоянные (выходные) напряжения, содержащим входной фильтрующий конденсатор значительной емкости. The invention relates to electrical engineering, namely to converters of constant (input) to constant (output) voltage, containing an input filter capacitor of significant capacity.

Известны устройства, в которых для ограничения первоначального пускового тока заряда фильтрующего конденсатора используются индуктивные элементы, например дроссели, позволяющие нормировать ток заряда до нормированных величин (Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электротехнические устройства. - М.: Энергоиздат, 1981, с. 233, рис.8, 20.). Недостатком таких устройств является высокая материалоемкость, неудовлетворительные массогабаритные характеристики и высокая стоимость, а также некачественные переходные процессы при коммутации тока, протекающего через дроссель. Known devices in which to limit the initial starting current of the charge of the filtering capacitor are used inductive elements, such as chokes, which allow to normalize the charge current to normalized values (Alekseev OV, Kitaev V.E., Shikhin A.Ya. Electrical devices. - M .: Energy Publishing House, 1981, p. 233, Fig. 8, 20.). The disadvantage of such devices is the high consumption of materials, unsatisfactory weight and size characteristics and high cost, as well as low-quality transient processes when switching current flowing through the inductor.

Лучшими характеристиками и качеством переходных процессов обладают схемы с применением активных ограничивающих резисторов с последующим их шунтированием тиристором (Источники электропитания РЭА. Справочник / Под ред. Г.С. Найвельта. - М. : Радио и связь, 1986, с. 403, рис.10.2, д.). Недостатком этих устройств является сложность схемы и ее низкая энергетическая эффективность при высоких входных напряжениях. The best characteristics and quality of transients have circuits with the use of active limiting resistors with their subsequent shunting by a thyristor (Power sources of REA. Reference / Edited by G.S. Naivelt. - M.: Radio and communications, 1986, p. 403, Fig. 10.2, d.). The disadvantage of these devices is the complexity of the circuit and its low energy efficiency at high input voltages.

Наиболее близким по схемотехнике и сущности происходящих в схеме процессов является устройство для заряда фильтрующего конденсатора, где между источником входного напряжения и фильтрующим конденсатором включен ограничивающий резистор, шунтированный тиристором, для управления которым не требуется обратной связи с напряжением на входе импульсного преобразователя (А.с. СССР 1739451, МКИ Н 02 М 3/335/Сергеев Б.C. Источник вторичного электропитания, опубл. БИ 21, 1992). The closest in circuitry and essence of the processes occurring in the circuit is a device for charging a filtering capacitor, where a limiting resistor shunted by a thyristor is connected between the input voltage source and the filtering capacitor, which does not require feedback from the voltage at the input of the pulse converter (A.S. USSR 1739451, MKI N 02 M 3/335 / Sergeev B.S. Secondary power supply, publ. BI 21, 1992).

Это устройство обладает недостатками, обусловленными следующими обстоятельствами. Существенная нестабильность первичных сетей входного постоянного напряжения требует в некоторых случаях увеличения емкости фильтрующего конденсатора до нескольких десятков или сотен тысяч микрофарад и заставляет применять в качестве них известные импульсные конденсаторы сверхвысокой энергоемкости (Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники вторичного электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1998, с. 20.). В этом случае емкость фильтрующего конденсатора может быть увеличена в еще большей степени - до нескольких единиц или десятков фарад и использование наиболее близкого по технической сущности устройства становится экономически и энергетически неэффективным, так как мощность, рассеиваемая управляющим резистором, велика и в качестве включающего должен использоваться достаточно мощный транзистор, коллекторный ток через который равен току управляющего электрода тиристора, шунтирующего ограничивающий резистор. This device has disadvantages due to the following circumstances. Significant instability of the primary input DC voltage networks requires in some cases an increase in the filter capacitor capacity to several tens or hundreds of thousands of microfarads and makes it necessary to use well-known pulsed capacitors of ultrahigh energy intensity (Sergeev BS, Chechulina AN Sources of secondary power supply of electronic equipment) railway transport. - M.: Transport, 1998, p. 20.). In this case, the capacity of the filtering capacitor can be increased even more - up to several units or tens of farads and the use of the device closest in technical essence becomes economically and energetically inefficient, since the power dissipated by the control resistor is large and should be used sufficiently as the switching power a powerful transistor, the collector current through which is equal to the current of the control electrode of the thyristor, shunting the limiting resistor.

Целью изобретения является устранение этих недостатков, а именно снижение мощности потерь, рассеиваемой элементами схемы устройства, а также применение менее мощной элементной базы и, как следствие, - расширение функциональных возможностей применения устройства. The aim of the invention is to eliminate these drawbacks, namely, reducing the power loss dissipated by the circuit elements of the device, as well as the use of a less powerful elemental base and, as a result, the expansion of the functionality of the device.

Указанная цель достигается тем, что для включения тиристора используется не потенциальный метод управления, а импульсный, при котором ток управляющего электрода создается ранее заряженным управляющим конденсатором. При этом исключается непрерывное протекание достаточно большого тока через управляющий резистор, а наличие импульсного, существенно меньшего по среднему значению, тока дает возможность использовать менее мощный включающий транзистор. This goal is achieved by the fact that to turn on the thyristor, not a potential control method is used, but a pulse method, in which the current of the control electrode is created by a previously charged control capacitor. This eliminates the continuous flow of a sufficiently large current through the control resistor, and the presence of a pulsed, substantially lower average value current makes it possible to use a less powerful switching transistor.

На чертеже приведена схема устройства заряда фильтрующего конденсатора. Устройство содержит входные положительный 1 и отрицательный 2 выводы и выходные положительный 3 и отрицательный 4 выводы, к которым подключается преобразователь 5 напряжения и фильтрующий конденсатор 6. Вывод 1 устройства соединен с первым выводом ограничивающего резистора 7, анодом тиристора 8, катодом стабилитрона 9, первым выводом вспомогательного резистора 10 и через прямо включенный диод 11 с первым выводом зарядного резистора 12. Второй вывод резистора 12 подключен к первому выводу управляющего резистора 13 и первому выводу управляющего конденсатора 14, второй вывод которого соединен с эмиттером вспомогательного транзистора 15, катодом тиристора 8, вторым выводом ограничивающего резистора 7 и выходным положительным выводом 3. Второй вывод вспомогательного резистора 10 подключен к базе включающего транзистора 16 и к коллектору вспомогательного транзистора 15, база которого через базовый резистор 17 соединена с анодом стабилитрона 9. Управляющий электрод тиристора 8 подключен к эмиттеру включающего транзистора 16, коллектором соединенного со вторым выводом управляющего резистора 13. The drawing shows a diagram of the charge device of the filtering capacitor. The device contains input positive 1 and negative 2 outputs and output positive 3 and negative 4 outputs, to which a voltage converter 5 and a filter capacitor 6 are connected. Output 1 of the device is connected to the first output of the limiting resistor 7, the anode of the thyristor 8, the cathode of the zener diode 9, the first output auxiliary resistor 10 and through a directly connected diode 11 with the first output of the charging resistor 12. The second output of the resistor 12 is connected to the first output of the control resistor 13 and the first output of the control to the capacitor 14, the second output of which is connected to the emitter of the auxiliary transistor 15, the cathode of the thyristor 8, the second output of the limiting resistor 7 and the output positive terminal 3. The second output of the auxiliary resistor 10 is connected to the base of the switching transistor 16 and to the collector of the auxiliary transistor 15, the base of which is through the base a resistor 17 is connected to the anode of the zener diode 9. The control electrode of the thyristor 8 is connected to the emitter of the turning transistor 16, a collector connected to the second output of the control resistor and 13.

Устройство заряда фильтрующего конденсатора работает следующим образом. The charge device of the filtering capacitor operates as follows.

При подаче входного напряжения Е_вх на выводы 1 и 2 напряжение на фильтрующем конденсаторе 6 и на входе преобразователя 5 равно нулю, что обусловливает наличие падения напряжения на резисторе 7, равное Е_вх. Напряжение стабилизации стабилитрона 9 выбирается равным: U_ст<Е_вх. Вследствие этого вспомогательный транзистор 15 открывается, так как в его базовой цепи начинает протекать ток, величина которого определяется разностью напряжений ΔU= E_вх-U_ст и величиной сопротивления резистора 17.When applying the input voltage E _I to terminals 1 and 2, the voltage at the filtering capacitor 6 and at the input of the converter 5 is zero, which leads to the presence of a voltage drop across the resistor 7, equal to E _I. The stabilization voltage of the zener diode 9 is chosen equal to: U _article <E _I. As a result, the auxiliary transistor 15 opens, since a current begins to flow in its base circuit, the value of which is determined by the voltage difference ΔU = E _in -U _st and the resistance value of the resistor 17.

Одновременно с этим, управляющий конденсатор 14 заряжается полярностью, показанной на схеме, через диод 11 и зарядный резистор 12 от источника напряжения Е_вх. Включающий транзистор 16 заперт, так как ток его базы равен нулю вследствие открытого состояния транзистора 15. Это приводит к отсутствию тока управляющего электрода тиристора 8 и его запертому состоянию.At the same time, the control capacitor 14 is charged by the polarity shown in the diagram through the diode 11 and the charging resistor 12 from the voltage source E _I. The turning on transistor 16 is locked, since the current of its base is zero due to the open state of the transistor 15. This leads to the absence of the current of the control electrode of the thyristor 8 and its locked state.

Происходит заряд фильтрующего конденсатора 6. По мере его заряда ток через него будет снижаться, в соответствии с чем будет уменьшаться падение напряжения U_R7 на резисторе 7. Когда это напряжение снизится до величины U_R7= U_ст, стабилитрон 9 закроется и прекратится базовый ток транзистора 15, что приведет к его запиранию. Это приведет к тому, что появится базовый ток включающего транзистора 16, величина которого определяется сопротивлением вспомогательного резистора 10 и напряжением U_R7. Открывание транзистора 16 приводит к тому, что конденсатор 14 разряжается на управляющий переход тиристора 8, а амплитуда импульса тока разряда, которая требуется для включения тиристора 8, устанавливается изменением сопротивления управляющего резистора 13.The filter capacitor 6 is charged. As it is charged, the current through it will decrease, in accordance with which the voltage drop U _R7 on the resistor 7 will decrease. When this voltage drops to U _R7 = U _st , the zener diode 9 will close and the base current of the transistor will stop 15, which will lead to its locking. This will lead to the fact that there will be a base current of the switching transistor 16, the value of which is determined by the resistance of the auxiliary resistor 10 and the voltage U _R7 . The opening of the transistor 16 leads to the fact that the capacitor 14 is discharged to the control transition of the thyristor 8, and the amplitude of the discharge current pulse, which is required to turn on the thyristor 8, is set by changing the resistance of the control resistor 13.

Далее после включения тиристора 8 ток заряда конденсатора 6 определяется внутренним сопротивлением тиристора 8 и паразитными сопротивлениями питающей линии. Further, after the thyristor 8 is turned on, the charge current of the capacitor 6 is determined by the internal resistance of the thyristor 8 and the parasitic resistances of the supply line.

Следовательно, в отличие от устройства-прототипа, здесь для открывания тиристора 8 применяется предварительно заряженный управляющий конденсатор 14. Это обусловливает тот факт, что для открывания тиристора 8 используется импульс энергии, среднее значение которой существенно меньше, чем при непрерывном и потенциальном способе управления. Достигаемое при этом снижение мощности потерь будет наиболее значительным при наличии больших величин емкости фильтрующего конденсатора 6. Therefore, unlike the prototype device, here a pre-charged control capacitor 14 is used to open the thyristor 8. This leads to the fact that an energy pulse is used to open the thyristor 8, the average value of which is significantly less than with a continuous and potential control method. The reduction in power of losses achieved in this case will be most significant in the presence of large values of the capacitance of the filtering capacitor 6.

Таким образом, применение предлагаемого устройства с импульсным управлением тиристора 8 позволяет снизить мощность потерь и применять менее мощный управляющий транзистор 16. Это расширяет функциональные возможности применения устройства заряда фильтрующего конденсатора при больших величинах емкостей фильтрующего конденсатора 6. Thus, the use of the proposed device with pulse control of the thyristor 8 can reduce the power loss and use a less powerful control transistor 16. This extends the functionality of the device charge of the filtering capacitor with large capacities of the filtering capacitor 6.

Claims

A filter capacitor charge device comprising a filter capacitor connected to a positive and negative output terminals, the last of which is connected to a negative input terminal, and a positive output terminal is connected to a thyristor cathode, an auxiliary transistor emitter, and through a limiting resistor to a positive input terminal and an thyristor anode with which the first output of the auxiliary resistor is connected, the first output of the circuit consisting of a series connection of the zener diode and the bases of the second resistor connected to the base of the auxiliary transistor, the collector of which is connected to the second output of the auxiliary resistor, characterized in that a diode is inserted into it, a control resistor and a capacitor including a transistor and a charging resistor, where the anode of the diode is connected to the anode of the thyristor, and the cathode through a charging resistor connected to the connection point of the first terminals of the control capacitor and the control resistor, the second terminals of which are connected to the cathode of the thyristor and the collector of the switching transistor accordingly, the emitter of the switching transistor is connected to the control electrode of the thyristor, and the base is connected to the collector of the auxiliary transistor.