Способ электропитания постоянного напряжения

Способ электропитания постоянного напряжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(Ill 742901

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Завалено 30,01,78 (21) 25737 36/24-07 (54)М. Кл. с присоединением заявки №

9 05 Г 1/56

Государственный комитет (23) Приоритет(53) УЙ,,621.316. .722.1 (088.8) но денем изобретений и открытий

Опубликовано 25.06.80. Бiоллетень ¹23

Дата опубликования описаний 27.06.80 (72) Автор изобретения

В. Н. Скачко (71) Заявитель (54) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Устройство относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника питания различных радиотехнических устройств, устройств автоматики, вычислительной и измерительной техники, преимущественно в летательных аппаратах специального назначения и в наземных системах для их обслуживания.

Известен стабилизированный источник электропитания, содержащий импульсный то и непрерывный стабилизаторы с регулирующими элементами, усилителями и источника ми опорного напряжения (1).

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является система электропитания постоятптого напряжения, содержащая импульсный стабилизатор, состоящий из последовательно включенных измерительного элемента с датчиком тока, подключенным к нему усилителем сигнала датчика тока, с резистивными делителями напряжения и источником опорного напряжения, управляющего и силового элементов, и непрерыв2 ный стабилизатор, вход которого соединен с выходом импульсного стабилизатора, состоящий из последовательно включенных измерительного элемента, вход которого соединен с выходом системы электропитания постоянного напряжения, и регулирующего элемента, к которому подключен измерительный элемент импульсного стабилизатора, причем датчик тока этого элемента включен между регулирующим элементом непрерывного, стабилизатора и вьвходом системы электропитания . постоянного напряжения (2).

Однако в такой системе электропитания существует взаимосвязь настроек уровней максимального и минимального напряжений регулирующего элемента непрерывного стабилизатора. В результате при настройке одного из уровней напряжений другой уходит из заданного значения, а следовательно, после настройки одного из уровней необходимо многократное возвращение к подстройке другого (соответственно включая или выключая нагрузку), каиO3„

>(3

3 7429 дый р,,з все больше приближаясь к BQqepному значенкчо настроек обоих уровней, (го СНI=;PIIQBT КПД.

К(3оме того, гальваническая развязка выхопд стабилизатора GT 3(сточника гор=. вичного 11а1тря3кения, как правило, обяза.-тельна для стабилизатора постоянного напряжения и обеспечивается в прототипе

oQ счет трансформатОра или дрОсселей

1(QcbjHE(ен1(яр обмотки у(1равления кО 1 Орых

Гадьванически Не сВязаны с Остальным и его обмстками, (30 если первичная сеть— се:13ь постоянного тока или сеть перемен—

HOPG TGHQ HPH OTC»TCTI3ÈH TPQHC/jOPI!jQTOPQ межд сеть(0 и импульсным стнбилизато ром (бсзтрансфор,IQTopпый стабилизатор),—

Т0 ОсущестРчение ГальваническОй разВяз кп в 1та ототип е ((е 13оз меж((О.

Е1ель 3(зоб33(этени31 — повьгшение Я"(,Ц. и падежнос ги за счет цов1((цения TO IHGcTII

/ настроек уровней напряжений регулиру(О= щего элемента непрерывного стабилизатоPа ПУТЕМ ИС(„J(-ОЧ 1НИЯ ИХ Вза((МОЗавт(си...(о( ти и Обеспечение гальв(3(п(1(еской развязки между певв(.чной сеть(о I< в1,(ходом сис "смь(электвог(ита(п(я.

Это достигается тем, что в системе элеи гропитания постоянного нащэя3((ения D измерительный элемент импульсного с га50

Оилиз атора DDeден диф(((ере(щиальнь(й у(-H

;IHve;ll к неинвертпрующему входу которсПОДКЛ(ОЧЕН (3ЫХОД ПЕР ВОЛ О PBPJIECTHDHOI О делителя; включенноГО мсжду источником опорного напряжения и выходом усилителя

1 датчика гока, вход которого через резистор подкл(очен к датчик» тока1 Q к ипве эт1(33у(0 шеМу входу д3((13(3ере шпального усилителя (эрез ВТО,30и 3ег3истив1ий делитель г(Одклю" чен переход коллектор=-эмиттер трапзисто4(3 ра реГу31иру(о((1его элемента непреры(3НОГО стаби(изатора, причем общая точка pejулирующего элемента этого стабилизатора и датчика тоха соединена с обгцим прово-. дом измепи т. ель((оп(3 элемен га и(,,(г(у1(ьсного стабилизатора, а цепи питания обоих уси-лителей этого элемента п013к1(3очепь(к DDE»= денному источнику двухполярного напря3ке-H1m, кроме того, между измерительньгм и управляющим элементами импульсного ста50 билизатора вкл3очен узел гальванической развязки, Выполненный на базе оптронного диода, светодиод которого последовательно с резистором включен между вьгходом дифференциального усилителя измери55 тельного элемента импульсного стабилиза-= тора и вьгходом отрипательпой полярности источника двухполярного напряжения этого элемента, а фотодиод подключен ко входу уп(3авл(я(а(пего элемента импульсного стаб313г(издторд 1((эпновремен(чо„через резистор и источнику питания этого элемента, а уси,1(итель сигнала датч(п:а ToKQ Выполнен в виде масштабй ого пеинвертирующего усили геля.

На фиг, 1 представлена система с поВ1>(щенным KT..O и надежностью; HQ фиГ. 2 - истема обеспечива301пая еше и гальван3(ческую раз Вяз ку, Система электропитания содержит импульсный стабилизатор 1, состоящий из последоват(3льно вкл(счен(гых измерительНОГО 2, у31рав3(Я(ощего .г и силового 4 элементов,. Ко входу силового элемента 4 пэдключена первичная сеть, а его выход сОедгинен сО В« одом непреры Вного стабили з. "Opa 6. 4(епрерывпый стабилизатор з содерхпгг последо(зательно вк3цо (енные измерительный 6 и регулирующий 7 элементь(.

Между выходом регулирующего элемента 7 и выходной клеммой (3кл(очен датчик тока

8 измерительНого элемента 2 импульсного стабилизатора 1, Вход измерительного Bëeмента 2 неп33013ы(эного стабилизатора соединен с выходом системы по цепи Обратной связи„

Резистор 8 (датчик ока) через резистор 9 подклю ен ко входу усилителя датчика тока, выполненного в виде масштабНОГО нсч нверт1(гэующего усилителя 1 О.ЕГО инвертируюший Вход через резистор 11 поди,.гючен к общей точке измерительного эле ,"?eEETQ 2 и одп(эвременпо через певеменный р Dl(cTop 12 -. и выходу:асщтабного усилитег(я 1 О, ".1(хо(3, э-ого усилителя соедиHBH так3ке с иервым резистивным делитб лом, в который входят рсзисторы 13, 14 и и 1(3,, последний из которых соединен со стабилитроном " 6, .явля((эщимся источником

Опорного напряжения для измерительного элемента 2. Резистор 14 служит потеициометром. Гго ползунок подключен к неин-Dертпруюшему входу диффере(п(иального усилителя 17, выполняющего роль схемы

cpaDIIeHIIÿ. Инвертирую1ций вход дифференциальпого усилителя 17 со средlIBIi ТОчкой (выходом) второго резистивно

Го делителя, состоящего из резисторов 18 и 19. Этот делитель подключен к переходу коллектор-эмиттер транзистора регулирующего элемента 7 IIBHpepb(DHor0 стабилизатора 3. Общая точка транзистора реГулиру(эщего элемента 7, резистора-дач чика тока 8 и резистора 3 9 соединяется с общими точками усилителей 10 и 17 и стабилитрона 3 6 и таким образом является общим проводом (землей) измерите3(ь ного элемента 2. Пепи питания усилителей

742901

10 и 17 подключены к источнику 20 двухполярного напряжения. Стабилитрон 16 через балластный резистор 21 также подключен к источнику питания 20. Нулевой вывод этого источника соединен с землей измерительного элемента 2. Система электр ропитания постоянного напряжения содержит также трансформатор 22 и вьи рямитель

23, включенные между силовым элементом

4 импульсного стабилизатора 1 и входом t0 непрерывного стабилизаторе 5, узел 24 гальванической развязки по входу управляющего элемента 3 импульсного стабилизатора. Узел 24 гальванической развязки состоит из оптронного диода 25, светодиоп которого через резистор 26 подключен к выходу операционного усилителя 17, а фотодиод этого оптрона через резистор 27 соединен с цепями питания управляющего элемента 3. Фотодиод оптронного диода

25 подключен ко входу управляющего элемента 3.

Ток нагрузки, проходя через резистордатчик. тока 8, создает на нем падение

25 напряжения, которое через резистор 9 подается на вход масштабного усилителя 10.

Резисторы 11 и 12 создают отрицательную обратную связь для усилителя 10,глубина которой определяет его коэффициент

30 усиления. Если коэффициент усиления усилителя, не охваченного обратной связью; большой (в современных интегральных операционных усилителях он достигает порядка нескольких десятков тысяч), то величи35 на и стабильность коэффициенте усиления усилителя с -обратной связью определяет ся только величиной и стабильностью номиналов резисторов обратной связи, и поэтому его стабильность значительно выф0 ше стабильности коэффициента усиления усилителя измерительного элемента прототипа.

Выходное напряжение масштабного усилителя 10, величина которого таким обре45 зом строго определяется величиной тока нагрузки (при заданном коэффициенте усиления), прикладывается к делителю, выполненному не резисторах 13, 14 и 15.

Потенциал противоположной точки делитеS0 пя фиксируется стебипитроном 16.

Если ток нагрузки отсутствует (режим холостого хода), то напряжение на датчике равно нулю, а значит равно нулю и выход-. ное напряжение масштабного усилителя.

При этом напряжение на ползунке потенциометра 14 определяется только величиной напряжения стабилитрона 16 и отношением суммы величин резисторов 13, 14 и 15 к сумме величины резистора 13 и части резистора 14 от его общей точки с резистором 13 до ползунка.

По мере возрастания тока нагрузки выходное напряжение масштабного усилителя, отрицатепьчое по знаку, также увеличивается. Так как напряжение стабилитрона имеет положительный знак, то напряжение. на ползунке, а следовательно, и на входе схемы сравнения, выполненной на дифференциальном усилителе 1 7, уменьшается. !

Таким образом, любому значению тока нагрузки соотве кствует определенное значе У ние напряжения на неинвертирующем входе усипителя 1 7, величина которого обратно пропорциональна току нагрузки, На инвертирующий вход дифференциального усилителя 1 7 через делитель, состоящий из резисторов 18 и 19, поступает напряжение с регулирующего элемента (регулирующего транзистора) непрерывного стабилизатора.

Напряжение обоих входов усилителя 17 сравнивается между собой, и на его выходе появляется усиленная им разность напряжений входов, знак которой (относительно общего проводе) зависит от того, какое из сравниваемых напряжений больше.

Выходной сигнал из схемы сравнения подается не управляющий элемент 3, последний управляет работой силового элементе 4, величина выходного напряжения которого определяет напряжение на регулирующем элементе непрерывного стаби» пизаторе. Если напряжение на регулирующем элементе увеличится по сравнению с напряжением не попзунке потенциометра

14, то уменьшится напряжение на выходе схемы сравнения, а это приведет к уменьшению выходного напряжения импульсного стабилизаторе, и наоборот в случае уменьшения напряжения не регулирующем элементе непрерывного стабилизатора ниже заданного уровня, выходное напряжение схемы сравнения увеличится, а значит увеличится и выходное напряжение импульсного стабилизатора.

В полученной таким образом системе автоматического регулирования выходное напряжение импульсного стабилизатора регулируется при условии, если напряжение на регулирующем элементе непрерывного стабилизатора выдерживается в строгой, заранее заданной зависимости от тока нагрузки при безусловном постоянстве выходного напряжения непрерывного стабил заторе (оно же выходное напряжение устройства), за счет работы его измеритель

7 7 429 ного 6 и регулирующего 7 элементов. В регулирующем элементе 7 при больших токах нагрузки может работать не один, а несколько транзисторов, и тогда (как в. прототипе) в качестве датчика тока может использоваться один из симметрирующих резисторов, Граничные значения регулирования напряжения на регулирующем элементе непрерывного стабилизатора в режиме хо- 10 лостого хода и при максимальной нагрузке задаются регулировкой переменяого резистора 12 и потенциометра соответственно

14 при настройке стабилизатора.

В предложенной системе электропитания принципиально отсутствует недостаток прототипа, заключающийся во взаимозависимости настроек уровней напряжений на регулирующем элементе непрерывного стабилизатора, так как прп настройке мак- щ

*симального напряжения регулирующего элемента непрерывного стабилизатора в режиме холостого хода напряжение на выходе масштабного усилителя (к которому подключена крайняя точка делителя на ре- 2 зисторах 1 3, 1 4 и 1 5, противоположная точка подключения к стабилитрону 16, строго равна. нулю независимо от величины переменного резистора 1 2, который определяет„

Как известно, коэффициент усиления (мао-30 штаб) масштабного усилителя на его выходное напряжение, потому что произведение нуля на любой коэффициент дает в итоге нуль (в режиме холостого хопа напряжения на датчике тока, подкшоченном ко входу масштабного усилителя, равно нушо).

Поэтому в режиме холостого хода насгройка максимального уровня определяется только потенциометром 14. После настройки максимального уровня возможна точ-40 ная настройка минимального уровня с псмошью резистора 12, Таким образом„в системе электропитания существует только зависимость настройки минимального уровня от настройки максимального уровня, ю что позволяет производить точную настройку обоих уровней в определенной последовательности (сначала максимального уровня, а затем — минимального), в то время как в прототипе обе настройки вза- 50 .имоэависимы и поэтому их точная насг райка вообще невозможна.

В качестве источника 20 двухполярного напряжения могут быть использованы два выпрямителя, подключенные к дополнительной обмотке сетевого трансформатора) при .наличии сети переменного тока и сетевого трансформатора) . Можно использовать

01 8 также дополнительную обмотку выходного трансформатора (тоже при его наличии) импульсного стабилизатора (стабилизированного преобразователя) или дополнитель ную обмотку дросселя фильтра импульсного стабилизатора.

Если по усчовиям работы стабилизатор; напряжения рассматриваемого типа должен работать от сети постоянного тока или переменного, но беэ применения сетевого трансформатора, то кроме гальванической развязки между выходом импульсного стабилизатора (преобразователя) и входом непрерывного стабилизатора, осуществляемой обычно посредством выходного трансформатора и выпрямителя, требуется еще и развязка между измерительным и управляющим элементами импульсного стабилизатора (преобразователя), т.е. передача сигнала от измерительного на управляющий элемент происходит так, чтобы оба они оставались изолированными друг от др уга.

В изобретении это достигается (см. фиг. 2) за счет применения узла ran ванической развязки 24, выполненного на базе оптронного диода 25.

Так как светодиод оптронного диода 25 подкшочен в направлении проводимости меж ду выходом операционного усилителя 17 схемы сравнения и через резистор 26— с выводом источника 20 отрицательной полярности, то ток светодиода существует при любых соотношениях напряжений на входах операционного усилителя 17, изменяется только его величина. При изменении тока светодиода оптронного диода 25 изменяется и ток его фотодиода. Источником питания цепи фотодиода может быть» источник первичного питания (см. фиг. 2) или источник питания управляющего элемен« та импульсного стабилизатора, если он питается не непосредственно от сети первичного напряжения, а от других узлов импульсного стабилизатора.

Изменение тока фотодиода оптронного диода 25 приводит к перераспределению напряжений между резистором 27 и фотодиодом, а значит к изменению напряжения на входе управляющего элемента 3, подключенного к фотодиоду. Так как фаза напряжения на фотодиоде не отличается от фазы напряжения на выходе схемы сравнения, а инерционность оптронного диода

25 совсем незначительна, то динамика работы стабилизатора в результате применения в нем оптронного диода 25 не и— меняется. Уменьшение амплитуды переданного через оптронный диод 25

2. Система электропитания постоянного напряжения по п. 1, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью обеспечения гальванической развязки между первичной сетью и выходом системы, между измерительным и управляющим элементами импульоного стабилизатора включен узел гальванической развязки, выполненный на базе оптронного диода, светодиод которого,последовательно с резистором включен между выходом лифференциального усилителя измерительного элемента импульсного стабилизатора и выходом отрицательной полярности источника AB IIGHHpHGpo напря

>кения этого элемента, а фотодиод подключен ко входу управляющего элемента импульсного стабилизатора и одновременно, через резистор к источнику питания этого элемента.

3. Система электропитания по п. 1, отличающаяся тем,чтоусилитель сигнала датчика тока выполнен B виде масштабного неицвертирующего усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Домеников В. И. и Казанский JI, М.

Стабилизиро нны источники электропитания судовой радиоэлектронной аппаратуры.

2. Гейман Г. В. и Есин В. А. Расчет магнитоэлектронных стабилизаторов напря-! жения, М., "Энергия", 1971, с. 6. рис.2, 9

7429 из-за невысокого его коэффициента передачи легко компенсируется усилением схемы сравнения и управляющего элемента.

Предложенная система выгодно отличается от прототипа тем, что в ней обеспечена точная настройка обоих уровней напряжений регулирующего элемента непрерывного стабилизатора за счет принципиального исключения их взаимозависимости.

Это позволяет устанавливать на регулирую-10 щем элементе оптимальные уровни напряжений, что дает возможность повысить КПД стабилизатора благодаря тому, что удается избежать излишнего рассева мощности на регулирующем элементе непрерывного ста- 15 билизатора. При этом повышается и наде>к. ность стабилизатора вследствие уменьшения paaorpeaa транзистора (транзисторов) регулирующего элемента. Следует указать также и на дополнительную полезность ста-2о билизатора, заключающуюся в уменьшении времени его настройки, что уменьшает производственные затраты при его изготовлении и повышает его технологичность. Кроме того, в нем просто решена задача гальс ванической развязки между выходом и первичной сетью применительно к структуре стабилизатора, предложенной для достижения основной цели изобретения.

Использование в нем интегральных мик-3о росхем (операционных усилителей) способствует повышению температурной стабильности его параметров, а также миниатюризации его узлов.

Формула изобретенияЗ5

1. Система электропитания постоянного напряжения, содержащая импульсный стабилизатор, состоящий из последователь но включенных измерительного элемента с датчиком тока, подключенным к нему 4О усилителем сигнала датчика тока с резистивными делителями напряжения и источником опорного напряжения, управляющего и силового элементов, и непрерывный стабилизатор, вход которого соединен с выхо-45 дом импульсного стабилизатора, состоящий иэ последовательно включенных измерительного элемента, вход которого соединен с выходом системы электропитания постоянного напряжения, и регулирующего элемен-5О та, к которому подключен измерительный элемент импульсного стабилизатора, при-, чем датчик тока этого элемента включен между регулирующим элементом непрерыв. ного стабилизатора и выходом системы 55 электропитания постоянного напряжения, а один из крайних выводов резистивного делители напряжения подключен ко входу регулирующего элемента непрерывного ста01

10 билизатора, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД и надежности за счет повышения точности настроек уровней напряжений регулирующего элемента непрерывного стабилизатора путем исключения их взаимозависимости в измерительный элемент импульсного стабилизатора введен дифференциальный усилитель, к неинвертирующему входу которого подключен выход первого реэистивного делителя, включенного между источником опорного напряжения и выходом усилителя датчика тока, вход которого через резистор подключен к датчику тока, а к инвертирующему входу дифференциального усилителя через второй резистивный делитель подключен переход коллектор-эмиттер транзистора регулирующего элемента непрерывного стабилизатора, причем общая точка регулирующего элемента этого стабилизатора и датчика тока соединена с общим проводом измерительного элемента импульсного стабилизатора, а цепи питания обоих усилителей этого элемента подключены к введенному источнику двухполярного напряжения.