Пьезополупроводниковый стабилизатор напряжения Советский патент 1986 года по МПК H02M3/20 

3- 10

1

Изобретение относится к электротехнике и гфедназначено для использования в системах вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

Целью изобретения является повышение устойчивости функционирования в режиме максимальной токовой нагрузки и быстродействия.

На фиг.1 представлена функциональная схема предложенного пьезополупро водникового стабилизатора напряжения, на фиг.2 - функциональная схема генератора ступенчатых сигналов в случае его реализации с контуром обратной связи, на фиг.З - частотные зависимо- 15 сти выходного напряжения и нагрузочного тока, иллюстрирующие работу устройства.

Пьезополупроводниковый стабилизатор напряжения (фиг.Т) содержит час- тотозадающий генератор 1, формирователь 2 импульсов (счетньй триггер),

. усилитель 3 мощности, пьезотрансфор- маторный элемент 4, выпрямитель и фильтр, условно объединенные в узел 5, интегратор 6 сигнала ошибки, выполненный на основе операционного усилителя 7 с интегрирующим конденсато. ром 8 в цепи отрицательной обратной связи, регулировочный потенциометр 9, 30

20

делитель 10 напряжения, ограничительный резистор 11, источник 12 опорного напряжения, генератор 13 ступенчатых сигналов, прямосмещенные развязывающие диоды 14 и 15, дифференциальный усилитель 16, вспомогательные конденсаторы 17 и 18, обратносмещенные развязывающие диоды 19-21, линейньй усилитель 22, выходную потенциальную шину 23 и шину 24 нулевого потенциала. Генератор 13 ступенчатых сигналов при его реализации с контуром обратной связи в виде дополнительного генератора 25 пачки импульсов (фиг.2) включает тактовый генератор 26, ревер- сивныйсчетчик 27импульсов, инвертор 28, элемент И 29 и резистивную матрицу 30. Генератор 25 пачки импульсов в час г- ном случае состоит из последовательно включенных пьезоэлектрического резонатора, образованного двумя электродами, расположенными на противополож- Ш)1Х поверхностях выходной секции пье- зотрансформаторного элемента 4, параллельных вектору поляризации, полосового фильтра и порогового элемента.

Частотозадающий генератор 1, фор- мг рователь 2 импульсов, усилитель 3

12413692

мощности, пьезотрансформаторньсй элемент 4 и выпрямитель - фильтр 5 включены последовательно. Выходной потен- циальньШ вывод узла 5 соединен с выходной потенциальной шиной 23 стабилизатора. Регулировочный потенциометр

9крайними вьшодами включен между выходом источника 12 опорного напряжения и инвертирующим входом операционного усилителя 7 интегратора 6. Ограничительный резистор 11 включен между выходной потенциальной шиной 23 стабилизатора и средним выводом регулировочного потенциометра 9. Делитель

10напряжения входом соединен с выходом источника 12 опорного напряжения, а выходом - с неинвертирующим входоь; операционного уср1лителя 7 интегратора 6. Вход генератора 13 ступенчатых сигналов подключен к выходу дифференциального усилителя 1б. Вход линейного усилителя 22 соединен с выходом пьезотрансформаторного элемента 4. Инвертирующий и неинвертирующий вхо25 да дифференциального .усилителя 16 через обратносмещенные развязьшающие диоды 20 и 21 соответственно с большим и меньшим по величине напряжениями пятки подключены к выходу линейного усилителя 22. Выходы интегратора 6 и генератора 13 ступенчатых сигналов через прямосмещенные развязьшающие диоды 14 и 15 соответственно с большим и м.е ньщи1м по величине напряжениями пятки соединены с входом частотозадающего генератора 1. Обрат- космещенный развязьтающий диод 19 включен между выходом интегратора 6 и инвертирующим входом дифференциал ь- ного усилителя 16, а вспомогательные конденсаторы 17 и 18 - параллельно соответствующим входам последнего.

35

40

45

50

55

Устройство работает следующим образом, .

При подаче питающего напряжения, когда выходное напряжение пьезотрансформаторного элемента 4 минимально и напряжение обратной связи, поступаю- .щее через резистор 11 и потенциометр 9 к янвepтиpyющe ry входу интегратора 6, близко ;к нулю,, на выходе операционного усилителя 7 устанавливается минимальное напряжение (к неинвертируюг щему входу приложено больщее напряжение, поступающее через делитель 10 от источника 12 опорного напряжения,.чем к инвертирующему входу). При этом перестройка частотозадающего генерато

Устройство работает следующим образом, .

При подаче питающего напряжения, когда выходное напряжение пьезотрансформаторного элемента 4 минимально и напряжение обратной связи, поступаю- щее через резистор 11 и потенциометр 9 к янвepтиpyющe ry входу интегратора 6, близко ;к нулю,, на выходе операционного усилителя 7 устанавливается минимальное напряжение (к неинвертируюг щему входу приложено больщее напряжение, поступающее через делитель 10 от источника 12 опорного напряжения,.чем к инвертирующему входу). При этом перестройка частотозадающего генерато3 . 12

pa 1 воздействием интегратора 6 блокируется напряжением пятки диода 14 и практически незначительна. В этом режиме частотозадающий генератор 1 управляется генератором 13 ступенчатых сигналов.

На фиг.З показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) пьезотран сформаторного элемента 4 в зависимости от тока 1„ , протекающего в нагруз ке стабилизатора. Из представленного графика видно, что резонансная характеристика пьезотрансформаторного элемента 4 значительно изменяется, а резонансная частота fp принимает мини- мальное- значение f„,(режим короткого замыкания) при максимальном токе нагрузки и максимальное значение fx (режим холостого хода) при минимальном токе нагрузки. В стационарном ре- жиме стабилизатора рабочая частота выбирается на левом склоне АЧХ и находится несколько левее- f.... . Посколь. / Л

ку в режиме максимальной токовой нагрузки выходное напряжение довольно мало, оно усиливается линейным усилителем 22. В это время генератор 13 ступенчатых сигналов работает в автоколебательном режиме и на управляющий вход частотозадагощего генератора 1 по ступает линейно изменяющееся напряжение ступенчатой формы. Величина и длительность ступеньки определяется периодом следования тактовых импульсов Т, выбирается заранее в зависимости от исходных параметров пьезотрансформаторного элемента 4 и не пре превышает обычно 10 периодов резонансной частоты. Длительность Tj, пилообразных импульсов генератора 13 также задается заранее, исходя из электрофизических свойств материала пьезотрансформаторного элемента 4, причем , где Q - механическая добротность пьезотрансформаторного элемента 4.

Под действием управляющего напряжения, поступающего с выхода генератора 13 на вход частотозадающего генератора 1, на выходе последнего дис-50 кретно изменяется частота следования импульсов в соответствии с крутизной управления от значения f до . Импулвсы напряжения с изменяющейся частотой (в данном случае с возраста-55 кяцей) пос-тупают на вход формирователя 2, где они симметрируются скважностью, равной двум, для исключения зависи

4п5

н-з Оt5- 20 25йозд -40

45

50 55 ,

3694

мости работы устройства от биений по скважности импульсов частотозадающего генератора 1, а затем подаются вход уси-пителя 3 мощности. Под действием импульсного входного напряжения на частоте, близкой к f , на выходе пьезотрансформаторного элемента 4 генерируется небольшое напругжение, но с минимально возможным нагрузочным током. Одновременно напряжение с выхода пьезотрансформаторного элемента 4 поступает на вход линейного усилителя 22 и после него через диоды 20 и 21 - на входы дифференциального усилителя 16. Поскольку на инвертирующий вход дифференциального усилителя 16 подано небольшое напряжение смещения с.выхода интегратора 6, а на неинвертирующем входе напряжение равно нулю, на выходе дифференциального усилителя 16 оно также равно нулю или соответствует уровню логического нуля. Ввиду того, что емкость конденсатора 17 выбрана меньшей, чем емкость конденсатора 18, заряд конденсатора 17 протекает несколько быстрее при прохождении первого склона АЧХ пьезотрансформаторного элемента 4. При этом с выхода дифференциального усилителя 16 на управляющий вход генератора 13 ступенчатых сигналов поступает напряжение логического нуля и продолжается линейное управление частотозадающим генератором 1.

В момент прохождения максимума резонансной кривой пьезотрансформаторного элемента 4, что соответствует fn flea , или несколько правее ее величины напряжений на конденсаторах 17 и 18 выравниваются и в некоторый момент напряжение на неинвертирующем входе дифференциального усилителя 16 становится больше, чем на инвертирующем. В этот момент времени на выходе дифференциального усилителя 16 появляется напряжение, соответствующе е единице, которое поступает на вход разрешения прямого счета генератора 13 ступенчатых сигналов, на выходе которого фиксируется заданный уровень управляющего напряжения. Это соответствует установке в частотозадающем генераторе 1 частоты f пьезотрансформаторного элемента 4. По мере работы стабилизатора на установленной частоте f ,,ток в нагрузке уменьшается, при этом одновременно происходит разряд конденсаторов 17 и

18. Поскольку емкость конденсатора 18 выбрана больЕ1ей емкости конденсатора 17, напряжение на инвертирующем входе дифференциального усилителя 16 уменьшается быстрее, усилитель 16 перебра- сывается в исходное состояние и начинается новьш процесс определения и установки резонансной частоты. При достижении амплитуды выходного напряжения часть его, поступающая через элементы 11 и 9 на инвертирующий вход операционного усилите.пя 7 интегратора 6, достигает уровня компенсации опорного напряжения от источника 12. На выходе интегратора 6 формируется на- пряжение, соответствующее логической единице, которое подводится к инвертирующему входу дифференциального уси усилителя 16, обнуляя его, а также к управляющему входу частотозадающего генератора 1. Дальнейшая работа стабилизатора осуществляется обычным образом в стационарном режиме, когда имеет место частотный сигнал стабилизации. Диод 15 блокирует процесс раз- ряда частотозадающего конденсатора Б генераторе. 1, Диод 19 препятствует разрядку конденсатора 17 через выходные цепи операционного усилителя 7 интегратора 6. Интегрирующий конден- сатор 8 обеспечивав устойчив.ость функционирования интегратора 6 Емкость интегрирующего конденсатора 8 в данном устройстве значительно умень шена, так как функцию поиска резонан- сной частоты выпoJЬняeт генератор 13 ступенчатых сигналов.

При выпол нении генератора 13 ступенчатых сигналов с контуром обратной

связи в виде дополнительного генератора 25 пачки импульсов работа стабилизатора происходит аналогично ранее описанному, за исключением обратной перестройки частотозадающего генератора 1 , необходимой для более точной настройки устройства в резонанс и обеспечения слежения за максиг-гумом АЧХ пьезотрансформаторного элемента . Генератор 25 пачки импульсов при формировании сигнала логической еди- ницы на выходе дифференциального усилителя 16 генерирует импульсную последовательность, которая ПР1ШОДИТ к обратной перестройке генератора 13 ступенчатых сигналов. Это позволяет скомпенсировать задержку отрабатывания дифференциального усилитешя 16 при совпадении уровней напряжения на

онденсаторах 17 и 18 и исключить переход устройства на энергетически невыгодный правый склон АЧХ. 1ак№. об-- разом, генератор 25 образует допол1 и- тельное звено обратной связи, которое препятствует переходу на правый склон ЧХ, существенно увеличивает быстроействие и КПД устройства. Введение генератора 25 существенно повышает также надежность стабилизатора, поскольку в данном случае обеспечивается слежение за максимумом АЧХ пьезотрансформаторного элемента 4. Количество импульсов в пачке определяется быстродействием дифференциального усилителя 16 и шагом изменения частоты частотозадающего генератора 1 при воздействии одиночного перепада ча-- пряжения генератора 13 ступенчатых сигналов и обычно равно 1-3.

Отмеченные ранее ограничения на напряжения пятки диодов 14 и 15 определяющие различия в паденТ И напряжений на диодах при заданном гфя- мом токе, предназначены для повьшения точности динамической характериг ; и :;й„ Это обусловлено тем, что указанное ограничение обеспечивает приоритет а перестройке частотозадающего генератора 1 интегратору 6, что позволяет кскл очить- эффект перерегулкрох-ят/гя к- выходе устройства Это имеет -- t- ее,., когда момент времени отработки инте-- гратора 6 совпадает с мс ./ентом npevie- ки формирования.ступеньки импульсов . генератором 13. Ограничения позволя ют обеспечить задержку формирования указанной ступеньки до выдачи запрещенного сигнала по каналу интегратор 6.- диод 19 - дифференциальный усилитель 16 - генератор 13 при- отработке ошибки интегратором 6. Отмеченные ра-, нее ограничения на напряжения пятки диодов 20 и 21 обеспечивают надежньй Еьпсод стабилизатора на рабочий режим.

В момент прохождения максш-гума АЧХ пъезотрансформаторного элемента 4 величина напряжения на конденсаторе 17 за счет указанных ограничений остается несколько большей напряжения на конденсаторе 18. Затем вследствие выхода на правый склок АЧХ проис ;одит разряд/конденсаторов 17 и 18. Так как рз:-- ряд :хонденсатора 17 происходит быстрее чем конденсатора 18, через неоторое времяJ определяемое постояной времени разряда и разницей ч на- пряжениях пятки диодов 20 и 21 происходит совпадение напряжений на кон7

денсаторах 17 и 18, что фиксируется дифференциальным усилителем 16 и вызвает фиксацию текутце.го уровня напряжения генератора 13 ступенчатых сигналов (останов поиска резонансной ча тоты). Постоянные времени разряда коденсаторов 17 и 18 определяются величиной и добротностью паразитных пико на АЧХ пьезотрансформаторного элемента 4, а также скоростью прокачки час тоты .частотозадающим генератором 1.

Работа генератора 25 пачки импульсов заключается в следующем. Передни фронт сигнала с выхода дифференциального усилителя 16, формирующийся при совпадении сигналов на конденсаторах 17 и 18, ударно возбуждает пьезоэлектрический резонатор. Сигнал на его выходе оказьтается синхронизировакньм с .входным сигналом вследствие параме рического взаимодействия. Выбор порога срабатывания порогового элe teнтa обеспечивает управление, колргчеством импульсов в пачке.

Работа генератора 13 ступенчатых сигналов в случае его выполнения по фиг.2 заключается в следующем. При нулевом уровне сигнала на входе инветора 28 на его выходе действует уровень логической единицы, которьй раз решает прохождение импульсов от тактового генератора 26 через элемент И

29на вход прямого счета реверсивног счетчика 27. При единичном уровне си нала на входе инвертора 28 на его выходе действует уровень логического нуля, который блокирует прохождение тактовых импульсов через элемент И

29. При этом текущий уровень аналогичного сигнала резистивной матрицы

30фиксируется, а импульсы подаются на вход обратного счета реверсивного счетчика 27.

Предложенное устройство может ус

тойчиво функционировать в- широком диапазоне токовой нагрузки - от режима короткого замыкания до холостого хода. Время реакции устройства на кратковременные возмущения в нагрузке не превьш1ает 1 мс.

Формула изобретения

1. Пьезополупроводниковый стабилизатор напряжения, содержащий частото- задающий генератор, последовательно 55 включенные усилитель мощности, пьезо- трансформаторный элемент, выпрямитель и фильтр, выходной потенциальный выs О

15 20

5 о.

5

0

вод которог о соединен с вьп-;однои потенциальной шнной стабилизатора, канал обратной связи с интегратором сигнала ошибки, ныполненным на основе операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен интегрирующий конденсатор регулировочным потенциометром, включенным крайними выводами между выходом источника опорного напряжения и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора, ограничительным резистором, включенным между .выходной потенциальной шиногт стабилизатора и средним выводом регулировочного потенциометра, делителем напряжения, соединенным входом с выходом источника опорного напряжения, а выходом - с неинвертирующим входом операционного усилителя интегратора,о т л и ч а ю- щ и и с я тем,что,с целью повышения устойчивости функционирования в режиме максимальной токовой нагрузки и быстродействия, в него введены формирователь 1-1мпульсов , генератор ступенчатых сигналов, дифференциальньй усилитель, линейный усилитель, два вспомогательных конденсатора и пять развязывающих диодов, причем формирователь импульсов включен между выходом частотозада- ющего генератора и входом усилителя мощности, вход генератора ступенчатых сигналов подключен к выходу дифференциального усилителя, вход линейного усилителя соединен с выходом пьезотрансформаторного элемента, инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя через обратносме- щенные первый и второй развязывающие диоды соответственно с большим и меньшим по величине напряжениями пятки

подключены к выходу линейного усилителя, выходы интегратора и генератора ст-упенчатых сигналов через прямосмещенные третий

i четвертьй развязывающие диоды соответственно с большим и меньшим по велтгине напряжениями пятки соединены с входом частотозадаю- щего генератора, обратносмещенный пятый развязывающий диод включен между выходом интегратора и инвертирующим входом дифференциального усилителя , а вспомогательные конденсаторы - параллельно, соответствующим входам последнего.

/

2. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что генератор i ступенчатых сигналов . выполнен с контельного генератора пачки импульсов

3. Стабилизатор по пп.1 и 2, о тличающийся тем, что генера- 5 параллельных вектору поляризаци}, по- тор пачки импульсов состоит из после- лосового фильтра и порогового злем1 и- довательно включенных пьезоэлектриче- та.

8Ш,3 .

электродами, расположенными на прсткВОПОЛОЖНЫХ поверхностях выходной :. ;iiX

ции пьезотрансформаторного элемент;.

/.

и/ Лу // 4 макс

. J

Редактор И.Рыбченко

.Составитель Л.Морозов

Техред О.Сопко Корректор М.Демчик

Заказ 3607/.50 Тираж 631 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, , Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектна.я, 4

Изобретение относится к стабилизированным источникам питания. Целью изобретения является повышение устойчивости функционирования в режиме максимальной токовой нагрузки и быстродействия пьезополупроводникового стабилизатора напряжения. Цель достигается тем, что под действием управляющего напряжения с генератора 13 на вход частотно-задающего генератора (ЧГ) 1 вырабатываются импульсы с изменяющейся частотой. Эти импульсы через формирователь 2 и усилитель 3 мощности поступают на пьезотрансформатор (ПТ) 4. Напряжение с ПТ 4 через усилитель 22 и диоды 20 и 21 поступает на вход дифференциального усилителя (ДУ) 16, на инвертирующий вход которого подано напряжение смещения с интегратора 6. В момент прохождения максимума резонансной кривой ПТ 4 на выходе ДУ 16 появляется 1, что соответствует установке в ЧГ 1 резонансной частоты. При достижении вьпсодного напряжения уровня опорного напряжения источника 12. на выходе интегра тора 6 формируется 1. При этом ДУ Гб обнуляется, а к управлякщему входу ЧГ 1 подается сигнал управления, осуществляющий стабилизацию выходного напря- ж;ения. 2 3. п. ф-лы, 3 ил. i (/ С 00