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1. CN106605182 - Device for producing direct current flowing in the power supply circuit of a load

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用于产生流入负载的电源电路的直流电流的装置


本发明涉及电气工程并可用在电源系统中提供流入负载在较宽范围内变化的负载电路的不变的直流电流。
已知类似的技术方案,诸如具有连续脉冲调节的线性调压器(SU1229742,1986年5月7日公开),其包括以下一组基本特点:
——DC电压源;
——DC电压-脉冲电压转换器(DCPVC),通过其输入连接到DC电压源的输出;
——脉冲电压-DC电压转换器(PDCVC),其输入连接到DCPVC(DLC滤波器)的输出;
——线性稳压器,通过其输入连接到PDCVC的输出;
——第一分压器,与PDCVC并联连接;
——第二分压器,连接在线性稳压器的输出和DC电压源的负端子之间;
——负载,通过其端子之一连接到线性稳压器的输出,并通过另一端子连接到DC电压源的负端子;
——控制电路,通过其第一输入连接到第一分压器的输出,通过其第二输入连接到第二分压器的输出,并通过其输出连接到DCPVC的控制输入。
本发明与具有以上特征的调节器的共同特点在于:
——DC电压源;
——DCPVC,通过其输入连接到DC电压源的输出;
——PDCVC,通过其输入连接到DCPVC的输出;
——线性稳压器;
——负载;
——控制电路,通过其输出连接到DCPVC的控制输入。
同样已知的是用于产生进入负载电源电路中的直流电流的装置(RU2012133772,2014年2月20日公开),该装置被选作最接近的类似设备(原型)且包含以下一组基本特点:
——DC电压源;
——DCPVC,通过其输入连接到DC电压源的输出;
——PDCVC,通过其输入连接到DCPVC的输出;
——DC稳压器,通过其输入连接到PDCVC的输出;
——控制电路,通过其第一输入连接到DCPVC的输出,通过其第二输入连接到DC稳压器的第一输出,并通过其输出连接到DCPVC的控制输入;
——负载,通过其端子之一连接到DC稳压器的第二输出并通过其另一端子连接到DC电压源的负端子。
本发明与具有以上特征的设备(原型)的共同特点在于:
——DC电压源;
——DCPVC,通过其输入连接到DC电压源的输出;
——PDCVC,通过其输入连接到DCPVC的输出;
——DC稳压器;
——负载;
——控制电路,通过其输入之一连接到DC稳压器的第一输出,并通过其输出连接到DCPVC的控制输入。
具有以上特征的类似技术方案均不能实现的技术效果是拓宽负载值的范围。
没能实现上述技术结果的原因在于,与负载电阻值范围的扩展相关的问题还没得到适当的注意,因为认为已经实现的负载范围值容易满足当下的需求。
给定现有技术的特点和分析,可以推断出的是,提供用于生成流经具有较宽范围的负载电阻值的变化负载的不变的DC电流的设备。
上述技术结果通过提供用于产生流入负载的恒定电流的装置来实现,该装置包括DC电压源;DCPVC,通过其输入连接到DC电压源的输出;PDCVC,通过其输入连接到DCPVC的输出;DC稳压器;控制电路,通过其输入之一连接到DC稳压器的第一输出,并通过其输出连接到PDCVC的控制输入;以及负载,在本发明中负载通过其端子之一连接到PDCVC的输出,并通过其另一端子连接到DC稳压器的输入和控制电路的另一输入;而DC稳压器通过其另一输出连接到DC电压源的负端子。
上述的负载和DC稳压器的连接使得能够在将DC电压转换成脉冲电压以及将脉冲电压转换成DC电压的过程中稳定流经负载的电流(进一步的负载电流),并且生成控制电压,当将该控制电压施加到DCPVC的控制输入时,该控制电压使得能够改变脉冲比例并由此稳定DC稳压器的电压降。因为发生了这个,当负载电流被稳定,最大负载电压仅由PDCVC和DCPVC中使用的元件的可接受电压所限制。这些电压是足够大的,因此负载阻值可在宽限制内变化。
由此,确保了在负载改变的较宽范围内的值不变的DC电流,这表明完成了上述的技术结果。
对现有技术的分析示出了,没有一个现有技术既包含所提出的技术方案的全部基本特点又包含其区别特点,从而带来这样的结论:用于生成不变的负载电流的本装置符合“新颖性”和“创造性”可授予专利权的标准。
所提出的用于生成不变的负载电流的装置通过以下描述和图1的附图进行解释,其中图1是用于生成不变的负载电流的设备的示意图,包括:
——DC电压源(1),可由任意已知的方法产生,例如,使用具有滤波器的全波整流电路
——辅助DC电压源(2),包括,例如,电阻器(3)和齐纳二极管(6),其中电阻器(3)通过其端子之一(4)连接到DC电压源(1)的正端子(5),齐纳二极管(6)通过其阴极(7)连接到电阻器(3)的另一端子(8)并通过其阳极(9)连接到DC电压源(1)的负端子(10);
——DC电压-脉冲电压转换器(DCPVC)(11)包括,例如:
-恒定频率的矩形脉冲生成器(12),通过其端子之一(13)(即DCPVC(11)的第一输入)连接到辅助DC电压源(2)的输出(即,连接到齐纳二极管(6)的阴极(7))并通过其另一端子(14)连接到DC电压源(1)的负端子(10),
-参考电压源(15),通过其第一端子(16)和第二端子(17)与恒定频率的矩形脉冲生成器(12)的端子(13)和(14)并联连接,
-可控开关(18),通过其输入(19)连接到恒定频率的矩形脉冲发生器(12)的输出(20),
-运算放大器(21),通过其输出(22)连接到可控开关(18)的控制输入(23),并通过其非反相(“+”)输入(24)连接到参考电压源(15)的输出(25),
-第一电容器(26),通过其板之一(27)连接到可控开关(18)的输出(28),并通过其另一板(29)连接到变压器(88)的初级绕组(31)的第一端子(30),该初级绕组(31)的第二端子(32)连接到DC电压源(1)的负端子(10),
-第二电容器(33),通过其板之一(34)连接到变压器(88)的次级绕组(36)的第一端子(35),
-二极管(37),通过其阴极(38)连接到第二电容器(33)的另一板(89),并通过其阳极(39)连接到变压器(88)的次级绕组(36)的第二端子(40),
-电阻器(41),通过其端子之一(42)连接到二极管(37)的阴极(38),并通过其另一端子(43)连接到该二极管(37)的阳极(39),
-MOS晶体管(44),通过其栅极(45)连接到二极管(37)的阴极(38),通过其漏极(46)(其为DCPVC(11)的第二输入)连接到DC电压源(1)的正端子(5),并通过其源极(50)连接到变压器(88)的次级绕组(36)的第二端子(40);
——脉冲电压-DC电压转换器(PDCVC)(47)包括,例如:
-二极管(48),通过其输入(阴极(49))连接到MOS晶体管(44)的源极(50)(DCPVC(11)的输出),并通过其阳极(51)连接到DC电压源(1)的负端子(10),
-电感器(52),通过其端子之一(53)连接到二极管(48)的阴极(49),
-电容器(54),通过其板之一(55)连接到电感器(52)的另一端子(56),并通过其另一板(57)连接到DC电压源(1)的负端子(10);
——负载(58),通过其端子之一(59)连接到PDCVC(47)的输出(电感器(52)的另一端子(56));
——DC稳压器(60),包括,例如:
-MOS晶体管(61),通过其漏极(62)(其为DC稳压器(60)的第一输入(63))连接到负载(58)的端子(64),
-运算放大器(65),通过其反相(“-”)输入(66)连接到MOS晶体管(61)的源极(67)(其为DC稳压器(60)的第一输出),并通过其输出(68)连接到MOS晶体管(61)的栅极(69)。
-参考电压源,包括,例如,第一电阻器(70)和第二电阻器(74),其中,第一电阻器(70)通过其端子之一(71)连接到辅助DC电压源(2)的输出(连接到齐纳二极管(6)的阴极(7))并通过其另一端子(72)连接到运算放大器(65)的非反相(“+”)输入(73),而第二电阻器(74)通过其端子之一(75)连接到第一电阻器(70)的另一端子(72),
-电阻器(76),通过其端子之一(77)连接到参考电压源的第二电阻器(74)的另一端子(78)(DC稳压器(60)的第二输出),还连接到DC电压源(1)的负端子(10),并通过其另一端子(79)连接到MOS晶体管(61)的源极(67);
——控制电路(80),包括,例如,运算放大器(81),通过其非反相(“+”)输入(82)(其为控制电路(80)的第一输入)连接到MOS晶体管(61)的漏极(62)(其为DC稳压器(60)的输入(63)),通过其反相(“-”)输入(83)经由第一电阻器(84)连接到MOS晶体管(61)的源极(67)(其为控制电路(80)的第二输入),并经过第二电阻器(85)连接到辅助DC电压源(2)的输出(连接到齐纳二极管(6)的阴极(7)),以及通过其输出(86)连接到DCPVC(11)的运算放大器(21)的反相(“-”)输入(87),该反相(“-”)输入(87)作为DCPVC(11)的控制输入。
所提出的用于产生不变的直流负载电流的设备的运行如下。
将DC电压从DC电压源(1)的端子(5)和(10)施加到辅助DC电压源(2)的输入(4)和(9)以及DCPVC(11)的输入(46)和(17),DCPVC(11)中的恒定频率的矩形脉冲生成器(12)开始生成从该恒定频率的矩形脉冲生成器(12)的输出(20)到DCPVC(11)的可控开关(18)的数据端口(19)的脉冲。只要运算放大器(21)的反相(“-”)输入(87)处的电压小于该运算放大器(21)的非反相(“+”)输入(24)处的电压,运算放大器(21)的输出(22)处的电压就将使可控开关(18)保持闭合,其中该运算放大器(21)的非反相(“+”)输入(24)处的电压由参考电压源(15)的输出(25)处的电压决定。而且,在电路中,来自恒定频率的矩形脉冲生成器(12)的输出(20)的脉冲将通过可控开关(18),到达以下电路中的MOS晶体管(44)的栅极(45):第一电容器(26),变压器(88)的初级绕组(31)和次级绕组(36)-第二电容器(33)以及并联连接的二极管(37)和电阻器(41)。结果是,MOS晶体管(44)将来自DC电压源(1)的DC电压转换成脉冲电压,并且这些脉冲从MOS晶体管(44)源极(50)到电感器(52)的端子(53),其中电感器(52)的端子(53)为PDCVC(47)的输入。经过LC滤波器(电感器(52)和电容器(54))转换和滤波后,在电感器52的输出(56)处的DC电压开始升高。所得的DC电压从PDCVC(47)的输出(56)通过负载(58)施加到DC稳压器(60)的输入(63)(施加到MOS晶体管(61)的漏极(62))。
通过使用DC稳压器(60),该DC稳压器(60)的电阻器(76)两端的电压变得稳定,其中DC稳压器包括例如运算放大器(65)、MOS晶体管(61)以及包括串联连接的第一和第二电阻器(70)和(74)的参考电压源,
稳定DC稳压器(60)的电阻器(76)两端的电压的结果是,在以下电路中电流将流经电阻器(76):MOS晶体管(61)的源极(67),-DC电压源(1)的负端子(10),该电流既不取决于DC稳压器(60)的输入(63)处的电压,也不取决于负载(58),该电流的安培数由电阻器(76)的额定值和DC稳压器(60)的运算放大器(65)的非反相(“+”)输入(73)处的电压值来限定。在这种情况下,如果DC稳压器(60)的运算放大器(65)的非反相(“+”)输入(73)处的电压(通过由电阻器(70)和(74)形成的分压器的中点(电阻器(70)的端子(72))处的电压决定)大于该运算放大器(65)的与MOS晶体管(61)的源极(67)以及DC稳压器(60)的电阻器(76)连接的反相(“-”)输入(66)处的电压,那么运算放大器(65)的与MOS晶体管(61)的栅极(69)连接的输出(68)处的电压值将是使得MOS晶体管(61)开启的值,且电阻器(76)两端的电压会增大,直到与由电阻器(70)和(74)形成的分压器的中点(电阻器(70)的端子(72))处的电压值相等。
在这一点上,运算放大器(65)的输出(68)处的电压以及该MOS晶体管(61)的源极(67)处的电压将分别停止升高,并且将是使MOS晶体管(61)的源极(67)与电阻器(76)连接处的电压变成与运算放大器(65)非反相(“+”)输入(73)处的电压相等的值。该电压的大小与由电阻器(70)和(74)形成的分压器的中点(电阻器(70)的端子(72))处的电压相等。这种状态会在DC稳压器(60)的输入(63)处的电压以及负载(58)变化时被保持。由此,即使负载(58)的大小改变,不变的稳定DC电流也将流入负载(58),其中不变的稳定DC电流的值由从第一电阻器(70)和第二电阻器(74)的连接点供应的电压值以及电阻器(76)的值来决定。
随着DC稳压器(60)的输入(63)处的电压升高,DC稳压器(60)的MOS晶体管(61)的漏极-源极处的DC电压也会增大,所以MOS晶体管(61)的漏极-源极处的DC电压的增大必须被稳定。为此,来自MOS晶体管(61)漏极(62)(以及来自负载(58)的端子(64))的电压被施加到控制电路(80)的运算放大器(81)的非反相(“+”)输入(82),并且来自DC稳压器(60)的MOS晶体管(61)的源极(67)的电压经由第一电阻器(84)被施加到控制电路(80)的运算放大器(81)的反相(“-”)输入(83),以及来自辅助DC电源(2)的齐纳二极管(6)的阴极(7)的电压经由第二电阻器(85)被施加到控制电路(80)的运算放大器(81)的反相(“-”)输入(83)。
在比较了控制电路(80)的运算放大器(81)的非反相(“+”)输入(82)和反向(“-”)输入(83)处的电压的基础上,在该控制电路(80)的运算放大器(81)的输出(86)处形成施加到DCPVC(11)的运算放大器(21)的反相(“-”)输入(87)的电压,其中DCPVC(11)的运算放大器(21)的反相(“-”)输入(87)是该DCPVC(11)的控制输入。
并且,只要控制电路(80)的运算放大器(81)的非反相(“+”)输入(82)处的电压小于该控制电路的运算放大器(81)的反向(“-”)输入(83)处的电压,则运算放大器(81)的输出(86)处的输出电压是低的。结果,DCPVC(11)的运算放大器(21)的反向(“-”)输入(87)处的电压小于与参考电压源(15)的输出(25)连接的运算放大器(21)的非反向(“+”)输入(24)处的电压。由此,运算放大器(21)的输出(22)处的输出电压是使得DCPVC(11)的可控开关(18)闭合的值,来自DCPVC(11)的恒定频率的矩形脉冲生成器(12)的脉冲会经由该可控开关(18)通过包括第一电容器(26)、变压器(88)的绕组(31)和(36)以及第二电容器(33)的电路到达彼此并联连接的二极管(37)和电阻器(41),并进一步到达MOS晶体管(44)的栅极(45)和源极(50)。在那里,PDCVC(47)的输入(53)处会有脉冲,其中脉冲电压为脉冲直流电压,该脉冲在PDCVC(47)中转换和滤波之后,将使得该PDCVC的输出电压增大。
这个过程会持续直到DC稳压器(60)的MOS晶体管(61)的漏极(62)相对于源极(67)的电压差变得略大于控制电路(80)的电阻器(84)两端的电压。这一旦发生,控制电路(80)的运算放大器(81)的非反相(“+”)输入(82)处的电压就变得大于控制电路(80)的运算放大器(81)的反相(“-”)输入(83)的电压。由此,在与DCPVC(11)的控制输入(87)连接的输出(86)处的输出电压将是使得DCPVC(11)的运算放大器(21)反相(“-”)输入(87)处的电压升高且变得大于该DCPVC(11)的运算放大器(21)的非反相(“+”)输入(24)处的电压的值。
结果,DCPVC(11)的运算放大器(21)的输出(22)处的电压将是使得可控开关(18)断开且来自恒定频率矩形脉冲发生器(12)的脉冲不再传到DCPVC(11)的MOS晶体管(44)的栅极(45)-源极(50)的值。
随着这种情况的发生,PDCVC(47)的输出(56)(以及DC稳压器(60)的MOS晶体管(61)的漏极(62))处的电压停止增大并开始减小。由于这样的原因,运算放大器(21)的反相(“-”)输入(87)处的电压将再次变得小于DCPVC(11)的运算放大器(21)的非反相(“+”)输入(24)处的电压。
换言之,DCPVC(11)的运算放大器(21)将参考电压源(15)的电压与来自控制电路(80)的运算放大器(81)的输出(86)的电压相比较,并在其输出(22)生成控制电压,该控制电压被施加到可控开关(18)的控制输入(23),以闭合或断开可控开关(18)的接触,并由此改变馈送至MOS晶体管(44)的栅极(45)-源极(50)的脉冲的占空比。
这些具有改变的占空比的脉冲从DCPVC(11)的输出(50)输出到PDCVC(47)的输入(53),并且,在适当的转换和LC滤波(通过电感器(53)和电容器(54))之后,PDCVC(47)的输出(56)处的DC电压再次开始上涨,并且整个过程将被重复。
这样,DC稳压器(60)的MOS晶体管(61)的栅极-源极处的电压将等于控制电路(80)的电阻器(84)两端的具有小电压纹波(ripple)的电压值,而流入负载(58)的电流将不会受到负载(58)的改变的影响,不管其增大还是减小。
需特别注意的是,所提出的本技术方案中的负载(58)通过其端子之一(59)连接到PDCVC(47)的输出(56),并通过其另一端子(64)连接到DC稳压器(60)的输入(63)和控制电路(80)的另一输入(82)。由此,具有稳定的负载电流的负载(58)处的最大输出电压只由PDCVC(47)和DCPVC(11)中使用的元件的最大允许电压来限制,其中最大允许电压可为数百伏特或更高。
由此,本发明中的具有稳定的负载电流的负载(58)的电阻可以在宽的限制内变化。
负载电阻的下限——零(短路模式),设备以此继续运行,并且DC电流从PDCVC(47)的输出(56)流过DC稳压器(60),其中该DC电流的值通过由电阻器(70)和(74)形成的分压器的中点处的电压和DC稳压器(60)的电阻器(76)的值决定。
负载电阻的上限由PDCVC(47)中使用的元件和DCPVC(11)(以及DC电压源(1))中使用的元件的最大允许电压与流经DC稳压器(60)的电流的比值来决定,其中所述元件的最大允许电压可以足够高。
由此,用于获得流入负载中的直流电流的所提出的设备提供了流经可在较宽范围内变化的负载的值不变的直流电流。