Стабилизированная система электропитанияна базе пьезотрансформатора

Стабилизированная система электропитанияна базе пьезотрансформатора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскмк

Соцналистическнк

Республмк

< >851687 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 06,11.79 (21) 2836719/24-07 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М. Кл.а

Н 02 М 3/335

G 05 F 1/56

Гее дарстеелльй кемлтет

CCCP

IIo делам лзебретеннй и аткрмтий

Опубликовано 30.07.81. Бюллетень №28

Дата опубликования описания 05.08.81 (53) УДК 621.314..57 (088.8) А. А. Ерофеев, А. А. Ушаков и В. К. Захаров (72) Авторы изобретения

Ленинградский ордена Ленина политехнический -:.институт . им. М. И. Калинина (7l ) Заявитель (54) СТАБИЛИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

НА БАЗЕ ПЬЕЗОТРАНСФОРМАТОРА

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, для вторичных источников устройства судовой, бортовой радггоэлектронной аппаратуры.

Известны преобразователи и стабилизаторы напряжения на базе пьезотрансформаторов с использованием амплитудного, частотного и фазового способов изменения характеристик пьезотрансформатора; Эти устройства содержат пьезоэлектрический трансформатор (ПЭТ), усилитель мощности, генератор (автогенератор) и блок управления с цепью обратной связи (1), P) и (3) .

К недостаткам указанных устройств относятся ограниченные динамические диапазоны регулирования параметров пьезотрансформатора, ограниченные диапазоны стабилизации напряжения на выходе, которые зависят от процентного изменения напряжения и тока нагрузки, а также ограниченная точность стабилизации напряжения.

Наиболее близка к предлагаемой стабилизированная система электропитания на 20 базе пьезотрансформатора, содержащая усилитель мощности, выходом соединенный со входом пьезоэлектрического трансформатора, выход которого через выпрямитель с фильтром соединен с выводом для подключения нагрузки, и блок управления усилителем мощности, состоящий из частотного канала на регуляторе, выходом соединенном со входом управляемого задающего генератора, выход которого через ктгючевые элементы подключен к управляющим входам усилителя мощности (41.

Недостатки известного устройства — возможность срыва режима стабилизации при работе устройства в широком диапазоне из-. менения температуры окружающей среды; не полное использование энергетических возможностей ПЭТ даже при применении в качестве задающего генератора высокостабильного генератора прямоугольных импульсов с мостовыми времязадающими цепями; невозможность получения стабилизированного отрицательного выходного напряжения (отсутствие универсальности по знаку стабилизированного выходного напряжения) .

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей, повышение стабильности и КПД системы электропитания.

851687 4

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизированную систему электропитания на базе пьезотрансформатора введены фазовый канал и узел формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи, состоящий из генератора тока, последовательно соединенного с источником опорного напряжения на первом стабилитроне и со вторым стабилитроном, потенциометра, подключенного параллельно первому стабилитрону, а выходом подключенного к одному из входов регулятора блока управления усилителем мощности, другой вход которого соединен с выходом вновь введенного резисторного делителя напряжения, включенного между точкой соединения стабилитронов узла формирования и выводом для подключения нагрузки, причем фазовый канал выполнен на двух формирователях импульсов, .выходы которых подключены ко входам логической схемы совпадений, фильтре нижних частот и компараторе с разделительным диодом на его выходе, при этом вход одного формирователя импульсов через вновь введенную интегрирующую фазосдвигающую цепь соединен со входом пьезоэлектрического трансформатора, а вход другого формирователя импульсов через вновь введенные диодный ограничитель и емкостный штырь, расположенный в непосредственной близости от выходного электрода пьезоэлектрического трансформатора соединен с управляющим входом управляемого задающего генератора.

На.фиг. 1 приведена функционально-прин ципиальная схема системы электропитания, вырабатывающей высокое положительное напряжение; на фиг. 2 — фрагмент схемы системы, вырабатывающей высокое отрицательное напряжение; на фиг. 3 — временные диаграммы, поясняющие принцип действия элемента схемы совпадений в динамике..

Сисистема электропитания (фиг. 1) содержит усилитель 1 мощности (УМ), нагруженный на вход ПЭТ 2. Последний через выпрямитель с фильтром 3 соединен с нагрузкой 4. Усилитель 1 мощности является двуполярным, модулированным по частоте сигналом с выхода блока управления, который состоит из частотного 5 и фазового 6 каналов. Частотный канал 5 состоит из регулятора 7, соединенного одний своим входом с нижним плечом высокоомного делителя, составленного из резисторов

8 и 9, другим входом — с выходом узла 10 формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи, а выходом через резистор 11 с управляющим входом управляемого задающего генератора (УЗГ) 2.

Выход УЗГ 12, через ключевые элементы— формирователи 13 и 14 ступенек соединен со входом УМ 1. Регулятор сравнивает текущее значение выходного напряжения стабилизатора с задающим значением U3, преобдвижком потенциометра 27, а выход компаратора через диод 28 соединен с управляющим входом УЗГ 12. Потенциометром 27 осуществляется регулировка порога срабатыва-. ния компаратора 25. Входное переменное напряжение ПЭТ 2 проходя через интегрирующую цепочку на резисторе 17 и конденсаторе 18, сдвигается по фазе на угол, близкий к 90, и поступает на формирователь 16.

Выходное напряжение ПЭТ 2, проходя через небольшую емкость, образованную выходной секцией ПЭТ и емкостным штырем 22, поступает на защитный ограничитель на диодах 20 и 21 и на формирователь 19.

Формирователи 16 и 19 собраны по одинаковой схеме и формируют прямоугольные им45

55 разует полученный сигнал рассогласования в соответствии, например, с пропорционально-интегрально-дифференциальным законом (ПИД) регулирования, и своим выходным напряжением в виде сигнала управления устанавливает частоту генерации УЗГ 12.

Прямоугольные импульсы типа меандр с выхода УЗГ 12 поступают на формирователи 13 и 14 ступенек. Формирователь 13 повторяет выходное напряжение УЗГ 12, осуществляя задержку по отрицательному !

0 фронту его выходного напряжения на время, необходимое для рассасывания зарядов неосновных носителей в базах мощных транзисторов УМЛ. Формирователь 14 инвертирует выходное напряжение УЗГ 12, осуществляя задержку по положительному фронту его выходного напряжения на ту же величину, В результате УЗГ 12 и формирователи

13 и 14 образуют две последовательности отрицательных импульсов с периодом рабочей частоты, сдвинутых друг относительно

2п друга на половину периода и меньших ее на величину, равную времени задержки формирователей 13 и 14. Фазовый канал 6 состоит из логической схемы 15 совпадений, соединенной одним своим входом через фор25 мирователь 16 и интегрирующую цепочку из

5 резистора 17 и конденсатора 18 со входом

ПЭТ 2, а другим входом через формирователь 19 с диодным ограничителем на диодах

20 и 21 и емкостным штырем 22, расположенным в непосредственной близости от выходо ной секции ПЭТ 2. С целью упрощения схемы фазового канала, а также уменьшения мощности потребления схемой управления логическая схема 15 выполнена на одной ячейке микросхемы с КМДП=структурой, реализующей по двум входам логическую функ35 цию «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» (например; серии 564 — 564ЛП2). С этой же целью на элементах с КМДП-структурой реализуются и другие функциональные узлы схемы:

УЗГ 12, формирователи 13 и 14 ступенек, <о формирователи 16 и 19. Выход элемента 15 через фильтр нижних частот, составленный из резистора 23 и конденсатора 24 соединен с неинвертирующим входом компаратора

25. Инвертирующий вход компаратора 25 с корректирующей емкостью 26 соединен с

851687 пульсы типа меандр, необходимые для нормальной работы элемента !5. Таким образом на выходы элемента 15 поступают выходное и сдвинутое на 90 входное переменные напряжения ПЭТ 2.

Принцип действия элемента 15 поясняется фиг. 2, где пунктиром обозначено напряжение, снимаемое с фильтра нижних частот (на резисторе 23 и емкости 24). Это напряжение увеличивается от значения логического «О» до значения логической «1» при изменении угла сдвига фаз между входными прямоугольными импульсами на входе элемента 15 от 0 до 180, принимая среднее значение при сдвиге фаз, равном 90, т.е. при сдвиге фаз равном нулю между входным и выходным переменными напряжениями ПЭТ 2, что соответствует частоте резонанса.

Узел 10 формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи состоит из генератора тока на полевом транзисторе 29 с резистором 30, соединенным последовательно с опорным стабилитроном

31 и стабилитроном 32. Параллельно опорному стабилитрону 31 подключен потенциометр 33.

Предлагаемая система позволяет получать на выходе как положительное, так и отрицательное высокие напряжения. Для этого если необходимо получить высокое положительное напряжение, нижний по схеме вывод резистора 9 высокоомного делителя подключается к нижнему по схеме выводу потенциометра 33, а в качестве выпрямителя используется выпрямитель положительного напряжения (фиг. 1), если же необходимо получить высокое отрицательное напряжение, то нижний по схеме вывод резистора 9 подключается к верхнему по схеме выводу потенциометра 33, а в качестве выпрямителя используется выпрямитель отрицательного напряжения (фиг. 2). Эти переключения производятся совместно с переключением входов регулятора, для исключения смены знака основной обратной связи.

Узел формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи применим только для высоковольтных устройств (стабилизаторов), так как вместо обычного напряжения рассогласования на входе регулятора Up — — U Ä - Uz«/К в схеме (фиг. 1) имеем где К вЂ” коэффициент деления высокоомного делителя (К = 500-1000);

U — напряжение стабилизации стабилитрона 32.

Учитывая, что 13вь©p>U нестабильность напряжения U до величины + 10О/о практически не оказывает влияния на нестабильность выходного напряжения. Для низковольт ных источников U U, а К = 1- 10, поэтому влияние нестабильности для них значительно возрастает.

Кроме того, так как в качестве регулятора обычно используется операционный усилитель, значительно ослабляющий (практически на 60 — 80 дБ) синфазную составляющую входного сигнала, нестабильность напряжения U, от которого отсчитываютея Up и Ц,, практически не оказывает влияния на формирование управляющего сигнала

Таким образом, в предлагаемой системе удается реализовать при однополярном источнике питания без каких-либо существенных отличий в схеме как стабилизацию высокого положительного так и стабилизацию высокого отрицательного напряжений.

ts Система работает следующим образом.

В исходном состоянии рабочая точка находится на правом склоне амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ПЭТ. Поэтому сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями отличен от нуля и положите о лен. Отфильтрованное выходное напряжение с элемента 15 на емкости 24 меньше заданного потенциометра 27 напряжения компарации. Выходное напряжение Uð компаратора 25 минимально. Так,как U (U то

25 диод 28 закрыт, а фазовый канал 6 отключен от .управляющего входа УЗГ 12. При действии слабых внешних возмущений, приводящих к мгновенному изменению выходного напряжения по отношению к заданному значению, на выходе регулятора 7 фор30 мируется сигнал управления U+ в соответствии с возникшим сигналом ошибки на входе регулятора (U з- Ц, ). Под действием сигнала управления изменяется частота генерации УЗГ 12. Рабочая точка на АЧХ ПЭТ смещается в сторону компенсации возникшего отклонения выходного напряжения от заданного значения. Например, если выходное напряжение увеличивается, то и напряжение

U> на выходе регулятора 7 для обеих схем (фиг. 1 и 2) увеличивается. При этом час4О тота УЗГ 12 также увеличивается. Рабочая точка смещается по АЧХ ПЭТ в сторону увеличения частоты до тех пор, пока U „, не становится равным заданному значению. . В случае, если выходное напряжение уменьшается, работа схемы осуществляется обрат45 ным образом.

При действии сильных внешних возмущений (температурных нагрузочных и др.), когда рабочая точка, смещаясь влево по частотной оси, доходит до точки резонанса ПЭТ возможен срыв в работе устройства из-за о смены знака обратной связи в контуре стабилизации. Однако этого не происходит, так как при прохождении точки резонанса ПЭТ, сдвиг фаз между входным и выходным переменными напряжениями меняет знак, вы ходное отфильтрованное напряжение элемента 15 становится больше заданного потенциометром 27 напряжения, и выходное напряжение компаратора 25 становится максимальным. Так как выбрано Цр„ч „,>U>, то

851687

20

Формула изобретения диод 28 открывается, а вследствие того, что динамическое сопротивление открытого диода 28 значительно меньше сопротивления резистора 11, управляющим напряжением для УЗГ 12 становится напряжение U, т.е. частотный канал отключается, а вместо него включается фазовый канал 6. Поэтому рабочая точка системы вплоть до окончания действия внешнего возмущения находится вблизи точки резонанса ПЭТ 2 и срыва стабилизации не происходит. По окончании действия сильного внешнего возмущения фазовый канал вновь отключается, включается частотный канал и стабилизация осуществляется аналогично.

При этом применение интегральных микросхем с КМДП-структурой в качестве логической схемы совпадений и других функциональных узлов позволило максимально упростить схему блока управления и увеличить общий КПД схемы, а специфическое построение узла формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи позволяет реализовать при минимальных переключениях универсальную систему, способную вырабатывать как высокое отрицательное, так и высокое положительное стабилизированные напряжения при использовании однополярного источника питающего напряжения.

Предлагаемая система обеспечивает по сравнению с известными малую нестабильность выходного напряжения от изменения питающего напряжения и от изменения тока нагрузки (91 „(+ 0,5о/,), малую нестабильность выходного напряжения в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды — 60 < t < + 60 С (Щ (+ 0,5/,), нечувствительность к коротким о х замыканиям по выходу; малый ток потребления блоком управления (3 — 4 мА без учета источника опорного напряжения), достаточно высокую помехоустойчивость схемы, а также высокую надежность работы схемы.

Стабилизированная система электропитания на базе пьезотрансформатора, содержащая усилитель мощности, выходом соединенный со входом пьезоэлектрического трансформатора, выход которого через выпрямитель с фильтром соединен с выводом для

8 подключения нагрузки, и блок управления усилителем мощности, состоящий из частотного канала на регуляторе, выходом соединенном со входом управляемого задающего генератора, выход которого через ключевые элементы подключен к управляющим входам усилителя мощности, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, повышения стабильности и КПД в нее введены фазовый канал и узел формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи, состоящий из генератора тока, последовательно соединенного с источником опорного напряжения на первом стабилитроне и со вторым стабилитроном, потенциометра, подключенного параллельно первому стабилитрону, а выходом подключенного к одному из входов регулятора блока управления усилителем мощности, другой вход которого соединен с выходом вновь введенного резисторного делителя напряжения, включенного между точкой соединения стабилитрона, узла формирования и выводом для подключения нагрузки, причем фазовый канал выполнен на двух формирователях импульсов, выходы которых подключены ко входам логической схе2$ мы совпадений, фильтре нижних частот и компараторе с разделительным диодом на

его выходе, при этом вход одного формирователя импульсов через вновь введенную интегрирующую фазосдвигающую цепь соединен со входом пьезоэлектрического трансформатора, а вход другого формирователя импульсов через вновь введенные диодный ограничитель и емкостный штырь, расположенный в непосредственной близости от выходного электрода пьезоэлектрического трансформатора, соединен с управляющим входом управляемого задающего генератора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Плужников В. М., Семенов В. С. Пьезокерамические твердые схемы. М., «Энергия«, 1971, с. 69 — 94, 110 — 122.

2. Лавриненко В, В. Пьезоэлектрические трансформаторы. М., «Энергия», 1975, с. 80 — 95.

3. Карташов И. А., Марченко Н. Б. Пьезоэлектрические трансформаторы тока. Киев

«Техника», 1978, с. 140 — 163.

4. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2616042, кл. Н 01 L 4411//1100, Н 03 Н 9/22, 1978.

851687

Р..г

Составитель С. Ситко

Редактор Л. Пчелинская Техред А. Бойкас Корректор Л. Иван

Заказ 6383/83 Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент>, г. Ужгород, ул. Проектная, 4