СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к автономным системам электроснабжения постоянным током с источником питания постоянного тока (ИППТ), допускающего режим короткого замыкания.

Известен параллельный регулятор [1] содержащий балластный резистор, регулирующий элемент (РЭ) и узел управления (УУ). Недостатком его является низкий коэффициент полезного действия, поскольку в последовательном балластном резисторе и РЭ выделяется большая мощность потерь рассеивания.

Известен шунтовой регулятор [2] у которого РЭ работает в ключевом режиме. Недостатком данного регулятора является значительная мощность потерь рассеивания и РЭ при малом токе нагрузки 1н.

Наиболее близким к заявляемому устройству является стабилизатор постоянного напряжения (СПН) [3] содержащий ключевой элемент (КЭ), первый силовой вывод которого подключен к первому выводу для подключения ИППТ, допускающего режим короткого замыкания, конденсатор, включенный между первым и вторым выводами для подключения нагрузки, диод, первый вывод которого соединен с вторым выводом для подключения ИППТ и с вторым выводом для подключения нагрузки, а второй вывод с первым выводом дросселя, и УУ, первый вход которого подключен к конденсатору, а выход соединен с управляющим входом КЭ, причем УУ состоит из датчика напряжения (ДН), вход которого использован в качестве первого входа УУ, компаратора, выход которого использован в качестве выхода УУ, и генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Недостатком известного устройства является значительная мощность потерь рассеивания в КЭ при большом токе нагрузки Iн.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия СПН путем уменьшения мощности потерь рассеивания в КЭ.

Поставленная цель достигается тем, что в СПН, содержащем КЭ, первый силовой вывод которого подключен к первому выводу для подключения ИППТ, допускающего режим короткого замыкания, конденсатор, включенный между первым и вторым выводами для подключения нагрузки, диод, первый вывод которого соединен с вторым выводом для подключения ИППТ и с вторым выводом для подключения нагрузки, а второй вывод с первым выводом дросселя, и УУ, первый вход которого подключен к конденсатору, а выход соединен с управляющим входом КЭ, причем УУ состоит из ДН, вход которого использован в качестве первого входа УУ, и ГЛИН, дополнительно введены узел сравнения (УС), управляемый переключатель (УП) и датчик тока (ДТ), включенный между вторым выводом дросселя и первым выводом для подключения нагрузки, а УУ снабжен четырьмя электронными ключами (ЭК), логическим элементом НЕ и вторым входом, соединенным с первым выходом УС, подключенным также к отключающей обмотке УП, включающая обмотка которого соединена с вторым выходом УС, причем первый вход УС подключен к выходу ДТ, второй вход к источнику задания тока (ИЗТ), а УС выполнен обеспечивающим подачу управляющих сигналов на его первый выход, когда величина напряжения на его первом входе меньше величины напряжения на втором входе, и на второй выход в противном случае, при этом первый неподвижный элемент переключающего контакта УП соединен со вторыми выводами для подключения нагрузки и ИППТ, а через его переключающий контакт со вторым силовым выводом КЭ, первый силовой вывод которого через размыкающий контакт УП подключен ко второму неподвижному элементу его переключающего контакта, соединенному с точкой подключения второго вывода диода с первым выводом дросселя, кроме того, выход ДН подключен к входам первого и второго ЭК, выходы которых соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами компаратора, выход ГЛИН подключен к входам третьего и четвертого ЭК, выходы которых соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами компаратора, в качестве второго входа УУ использовано параллельное соединение управляющих входов второго и четвертого ЭК и входа логического элемента НЕ, выход которого соединен с управляющими входами первого и третьего ЭК.

Снабжение СПН новыми элементами, отличая заявленное устройство от прототипа, позволяет уменьшить мощность потерь рассеивания в КЭ посредством переключения его по сигналу ДТ с последовательного включения на параллельное и наоборот, в зависимости от величины тока нагрузки.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема СПН и схема его УУ.

Стабилизатор постоянного напряжения содержит КЭ 1, первый силовой вывод которого подключен к первому выводу для подключения ИППТ 2, допускающего режим короткого замыкания, конденсатор 3, включенный между первым и вторым выводами для подключения нагрузки, диод 4, первый вывод которого соединен со вторым выводом для подключения ИППТ 2 и со вторым выводом для подключения нагрузки, а второй вывод с первым выводом дросселя 5, и УУ 6, первый вход которого подключен к конденсатору 3, а выход соединен с управляющим входом КЭ 1, причем УУ 6 состоит из ДН 7, вход которого использован в качестве первого входа УУ 6, компаратора 8, выход которого использован в качестве выхода УУ 6, и ГЛИН 9. В СПН дополнительно введены УС 10, УП 11 и ДТ 12, включенные между вторым выводом дросселя 5 и первым выводом для подключения нагрузки, а УУ 6 снабжен четырьмя ЭК 13, 14, 15, 16, логическим элементом НЕ 17 и вторым входом, соединенным с первым выходом УС 10, подключенным также к отключающей обмотке 18 УП 11, включающая обмотка 19 которого соединена со вторым выходом УС 10, причем первый вход УС 10 подключен к выходу ДТ 12, второй вход к ИЗТ 20. Первый неподвижный элемент 21 переключающего контакта 22 УП 11 соединен со вторыми выводами для подключения нагрузки и ИППТ 2, а через его переключающий контакт 22 со вторым силовым выводом КЭ 1, первый силовой вывод которого через размыкающий контакт 23 УП 11 подключен ко второму неподвижному элементу 24 его переключающего контакта 22, соединенному с точкой подключения второго вывода диода 4 с первым выводом дросселя 5, кроме того, выход ДН 7 подключен к входам первого 13 и второго 14 ЭК, выход которых соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами компаратора 8, выход ГЛИН 9 подключен к входам третьего 15 и четвертого 16 ЭК, выходы которых соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами компаратора 8, в качестве второго входа УУ 6 использовано параллельное соединение управляющих входов второго 14 и четвертого 16 ЭК и входа логического элемента НЕ 17, выход которого соединен с управляющими входами первого 13 и третьего 15 ЭК.

При включении СПН в работу происходит начальная установка компаратора 8, формирующая первоначально сигнал низкого уровня на его выходе, соответственно на выходе УУ 6, а на управляющем входе КЭ 1, обеспечивающая разомкнутое состояние КЭ 1. При этом возможно различное положение размыкающего 23 и переключающего 22 контактов УП 11.

Пусть, при включении СПН в работу положение контактов УП 11 соответствует параллельному включению КЭ 1, т. е. размыкающий элемент 23 разомкнут со вторым неподвижным элементом 24 переключающего контакта 22 УП 11, переключающий элемент 22 разомкнут с первым неподвижным элементом 21 и замкнут со вторым неподвижным элементом 24 УП 11. В связи с тем, что КЭ 1 разомкнут на выходе СПН и на выходе ДТ 12 сигналы (напряжение) низкого уровня. По результатам сравнения сигналов с ДТ и с ИЗТ 20 УС 10 формирует сигнал на свой второй выход и соответственно на включающую обмотку 19 УП 11, обеспечивая переключение КЭ 1 в режим параллельного включения.

При разомкнутом КЭ 1 происходит передача энергии от ИППТ 2 в нагрузку, накопление энергии в конденсаторе 3 и дросселе 5 по цепи:
ИППТ 2, первый вывод для подключения ИППТ 2, замкнутый размыкающий контакт 23 УП 11, второй неподвижный элемент 24, переключающего контакта 22 УП 11, дроссель 5, ДТ 12, первый вывод для подключения к нагрузке, нагрузка и конденсатор 3, второй вывод для подключения ИППТ 2, ИППТ 2.

Процесс передачи энергии в нагрузку будет сопровождаться увеличением сигнала, поступающего с ДТ 12 на первый вход УС 10, а так же на первый вход УУ 6 и соответственно на вход ДН 7.

Сигнал с ДТ 12, пропорциональный величине тока нагрузки и сигнал с ИЗТ 20, в виде напряжений поступают на первый и соответственно второй вход УС 10.

В случае, когда величина напряжения на первом входе УС 10 меньше величины напряжения на его втором входе, УС 10 формирует подачу управляющего сигнала на второй вход УС 10 и соответственно на включающую обмотку 19 УП 11, подтверждающая режим параллельного включения КЭ 1, что не приводит к изменению положения контактов УП 11. Кроме того, отсутствие управляющего сигнала на первом выходе УС 10 и соответственно на втором входе УУ 6 обеспечивает через схему НЕ 17 включенное состояние ЭК 13, ЭК 15 и подключение ГЛИН 9 к инвертирующему, выхода ДН 7 к инвертирующему входам компаратора 8. Таким образом, сигнал с ДН 7 пропорциональный напряжению нагрузки через замкнутый ЭК 13 поступает на неинвертирующий вход компаратора 8. Одновременно, сигнал с ГЛИН 9 через замкнутый ЭК 15 поступает на инвертирующий вход компаратора 8.

При превышении сигнала с ДН 7 по величине сигнала поступающего с ГЛИН 9 на выходе компаратора 8, УУ 6 и на управляющем входе КЭ 1 формируется сигнал высокого уровня, обеспечивающий замыкание КЭ 1. В данный момент происходит закорачивание ИППТ 2 по цепи:
ИППТ 2, первый вывод для подключения ИППТ 2, замкнутый КЭ 1, переключающий контакт 22 УП 11, его первый неподвижный элемент 21, второй вывод для подключения ИППТ 2, ИППТ 2.

Одновременно происходит передача энергии, ранее запасенной в дросселе 5 в нагрузку по цепям:
второй вывод дросселя 5, ТД 12, первый вывод для подключения нагрузки, нагрузка, второй вывод для подключения нагрузки, диод 4, первый вывод дросселя 5;
второй вывод дросселя 5, ДТ 12, первый вывод для подключения нагрузки, нагрузка, второй вывод для подключения нагрузки, первый неподвижный элемент 21, переключающего контакта 22 УП 11, переключающий контакт 22 УП 11, замкнутый КЭ, размыкающий контакт 23 УП 11, второй неподвижный элемент 24, переключающего контакта 22 УП 11, первый вывод дросселя 5;
второй вывод дросселя 5, ДТ 12, первый вывод для подключения нагрузки, нагрузка, второй вывод для подключения нагрузки, второй вывод для подключения ИППТ 2, ИППТ 2, первый вывод для подключения ИППТ 2, размыкающий контакт 23 УП 11, второй неподвижный элемент 24 переключающего контакта 22 УП 11, первый вывод дросселя 5.

А также происходит передача ранее запасенной энергии в конденсаторе 3 в нагрузку по цепи:
конденсатор 3, первый вывод для подключения нагрузки, нагрузка, второй вывод для подключения нагрузки, конденсатор 3.

Таким образом, напряжение на нагрузке начнет уменьшаться. В момент превышения сигнала с ГЛИН 9 сигнала с ДН 7 на выходе компаратора 8, а следовательно на выходе УУ 6 и на входе КЭ 1 формируется сигнал низкого уровня, обеспечивающий размыкание КЭ 1 и повторение процесса передачи энергии от ИППТ 2 в нагрузку и запасение энергии в дросселе 5 и конденсаторе 3.

Обеспечение стабилизации выходного напряжения осуществляется посредством варьирования коэффициента выполнения импульсного цикла (КЗИЦ) КЭ 1.

При превышении тока нагрузки заданного значения, что соответствует случаю, когда величина напряжения на первом входе УС 10 больше величины напряжения на его втором входе, УС 10 формирует управляющий сигнал через первый выход на отключающую обмотку 18 УП 11, что является подтверждающим сигналом для последовательной работы КЭ 1 и приводит к размыканию переключающего контакта 22 с его первым неподвижным элементом 21 и замыканию с его вторым неподвижным элементом 24, а также к размыканию размыкающего 23 контакта со вторым неподвижным элементом 24 переключающего контакта 22 УП 11. Наличие управляющего сигнала на втором входе УУ 6 обеспечивает через схему НЕ 17 выключенное состояние ЭК 13, ЭК 15, включенное состояние ЭК 14, ЭК 16 и подключение ГЛИН 9 к неинвертирующему, а выхода ДН 7 к инвертирующему входам компаратора 9.

При превышении сигнала с ГЛИН 9 сигнал ДН 7 на выходе компаратора 8 формируется сигнал высокого уровня, который поступает на вход УУ 6 и на управляющий вход КЭ 1, обеспечивая тем самым его замыкание. При замкнутом КЭ 1 происходит передача энергии от ИППТ 2 в нагрузку, накопление энергии в конденсаторе 3 и дросселе 5 по цепи:
ИППТ 2, первый вывод для подключения ИППТ 2, КЭ 1, замкнутый переключающий контакт 22 УП 11, второй неподвижный элемент 24 переключающего контакта 22 УП 11, дроссель 5, ДТ 12, конденсатор 3 и нагрузка, второй вывод для подключения нагрузки, второй вывод для подключения ИППТ 2, ИППТ 2.

При превышении сигнала с ДН 7 сигнала с ГЛИН 9 на выходе компаратора 8 формируется сигнал низкого уровня, обеспечивающий размыкание КЭ 1 и передачу запасенной энергии в конденсаторе 3 и дросселе 5 в нагрузку по цепи:
второй вывод дросселя 5, ДТ 12, первый вывод для подключения нагрузки, конденсатор 3 и нагрузка, второй вывод для подключения нагрузки, диод 4, первый вывод дросселя 5;
конденсатор 3, первый вывод для подключения нагрузки, нагрузка, второй вывод для подключения нагрузки, конденсатор 3.

Таким образом, напряжение на нагрузке начнет уменьшаться. В момент превышения сигнала с ГЛИН 9 сигнала с ДН 7 на выходе компаратора 8, а следовательно, на выходе УУ 6 и на входе КЭ 1 формируется сигнал высокого уровня, обеспечивающий замыкание КЭ 1 и повторение процесса передачи энергии от ИППТ 2 в нагрузку и запасение энергии в дросселе 5 и конденсаторе 3.

Обеспечение стабилизации выходного напряжения осуществляется посредством варьирования коэффициента заполнения импульсного цикла (КЗИЦ) КЭ 1.

В связи с тем, что при проектировании СПН величина варьирования тока нагрузки задается, то возможен предварительный расчет или измерение величины мощности потерь рассеивания в КЭ 1 при изменении тока нагрузки от максимального значения до минимального для последовательного и параллельного включения КЭ 1. Графическое построение или аналитический расчет этих двух зависимостей дает точку пересечения, относительно которой диапазон изменения величины тока нагрузки развивается на два поддиапазона. При этом первый поддиапазон характерен для случая изменения тока нагрузки от минимального значения до значения пропорционального точке пересечения двух ранее отмеченных зависимостей. Второй поддиапазон характерен для случая изменения тока нагрузки от значения пропорционального точке пересечения двух ранее отмеченных зависимостей до максимального значения тока нагрузки. Значение пропорциональное точке пересечения двух ранее отмеченных зависимостей является исходной величиной для ИЗТ 20.

Использование: в автономных системах электроснабжения постоянным током. Сущность изобретения: стабилизатор содержит ключевой элемент (КЭ) 1, конденсатор 3, диод 4, дроссель 5, узел 6 управления, датчик 7 напряжения, компаратор 8, генератор 9 линейно изменяющегося напряжения, узел 10 сравнения, управляемый переключатель 11, датчик 12 тока, четыре электронных ключа 13, 14, 15, 16, логический элемент НЕ 17 и источник 20 задания тока. Управляемый переключатель 11 имеет отключающую обмотку 18 и включающую обмотку 19, переключающий контакт 22 с неподвижными элементами 21 и 24 и размыкающий контакт 23. Стабилизатор отличается высоким КПД за счет уменьшения мощности потерь рассеивания в КЭ 1. 2 ил.

Стабилизатор постоянного напряжения, содержащий ключевой элемент, первый силовой вывод которого подключен к первому выводу для подключения источника питания постоянного тока, допускающего режим короткого замыкания, конденсатор, включенный между первым и вторым выводами для подключения нагрузки, диод, первый вывод которого соединен с вторым выводом для подключения источника питания постоянного тока и с вторым выводом для подключения нагрузки, а второй вывод с первым выводом дросселя, узел управления, первый вход которого подключен к конденсатору, а выход соединен с управляющим входом ключевого элемента, причем узел управления состоит из датчика напряжения, вход которого использован в качестве первого входа узла управления, компаратора, выход которого использован в качестве выхода узла управления, и генератора линейно изменяющегося напряжения, отличающийся тем, что в него введены узел сравнения, управляемый переключатель и датчик тока, включенный между вторым выводом дросселя и первым выводом для подключения нагрузки, а узел управления снабжен четырьмя электронными ключами, логическим элементом НЕ и вторым входом, соединенным с первым выходом узла сравнения, подключенным также к отключающей обмотке управляемого переключателя, включающая обмотка которого соединена с вторым входом узла сравнения, причем первый вход узла сравнения подключен к выходу датчика тока, второй вход к источнику задания тока, а узел сравнения выполнен обеспечивающим подачу управляющих сигналов на его первый выход, когда величина напряжения на его первом входе меньше величины напряжения на втором входе, и на второй выход в противном случае, при этом первый неподвижный элемент переключающего контакта управляемого переключателя соединен с вторыми выводами для подключения нагрузки и источника питания постоянного тока, а через его переключающий контакт с вторым силовым выводом ключевого элемента, первый силовой вывод которого через размыкающий контакт управляемого переключателя подключен к второму неподвижному элементу его переключающего контакта, соединенному с точкой подключения второго вывода диода с первым выводом дросселя, кроме того выход датчика напряжения подключен к входам первого и второго электронных ключей, выходы которых соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами компаратора, выход генератора линейно изменяющего напряжения подключен к входам третьего и четвертого электронных ключей, выходы которых соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами компаратора, в качестве второго входа узла управления использовано параллельное соединение управляющих входов второго и четвертого электронных ключей и входа логического элемента НЕ, выход которого соединен с управляющими входами первого и третьего электронных ключей.