Импульсный стабилизатор напряжения с плавным запуском Советский патент 1989 года по МПК G05F1/56 

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть, использовано для питания устройств автоматики, сигнализации, световьпс электронных табло о

Цель изобретения - повьш1ение качества выходного напряжения.

На фиг,1 приведена принципиальная электрическая схема импульсного стабилизатора напряжения с плавным запуском; на фиг.2 - принципиалная схема широтно-импульсного модулятора; на фиг.З - переходные характеристики стабилизатора с LCD- фильтром; на фиг.4 - переходные характеристики стабилизатора при различных величинах нагрузки.

Импульсньй стабилизатор напряжения сплавным запуском содержит регулирующий орган 1, выполненный, например, в виде диодно-тиристор- ного моста и входом связанный с вхоными выводами LCD-фильтра 2, делитель 3 напряжения, усилитель 4 сигнала рассогласования, первый блок

5опорного напряжения, второй блок

6опорного напряжения, широтно-им- пуЛьсный модулятор 7, генератор 8 пилообразного напряжения, суммирующий дифференциатор 9, пороговое устройство 10, ключ 11, источник 12 постоянного напряжения, интегратор 13, выполненный на операционном уси лителе 14, неинвертирующий вход которого соединен с шиной 15 нулевого, потенциала, интегрирующем конденсаторе 16, включенном между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 14, являющимся выходом интегратора 13, первом заряном резисторе 17, включенном между

инвертирующим входом операционного усилителя 14 и отрицательнь М выходом источника 12, втором зарядном

резисторе 18, включенном между ин вертирующим входом операционного усилителя 14 и выходом ключа 11. К выходным выводам 19 стабилизатора подключена нагрузка.

Регулирующий орган 1 включен в силовую цепь, к его выходным выводам подключен LCD-фильтр 2, выходные выводы которого соединены с делителем 3 и выходными вьшодами 19. Первый вход усилителя 4 соединен с выходом делителя 3, второй вход усили- теля-4 соединен с выходом первого блока 5 опорного напряжения, а вьпсод

усилителя 4 рассогласования соединен с первым входом модулятора 7, второй вход которого подключен к выходу генератора 8 пилообразного напряжения, вход плавного запуска модулятора 7

соединен с выходом интегратора 13, а первый и второй выходы его подключены к управляющему входу регулирующего органа 1 о Первый вход порогового устройства 10 подключен к выходу суммирующего дифференциатора 9, вход которого соединен с выходом делителя 3 напряжения,- второй вход порогового устройства 10 подключен к- выходу второго блока 6 опорного напряжения,

а выход - к входу ключа 11.

Выводы питания усилителя 4 сигнала рассогласования, второго блока 6 опорного напряжения, модулятора 75 генератора 8 пилообразного напряжеНИН, суммирующего дифференциатора 9, порогового устройства 10, ключа 11 и интегратора 13 соединены с соо.т- ветствующими выходами питания источника 12 постоянного напряжения,

Модулятор 7 состоит из инвертора 20, первый вход которого является входом плавного запуска модулято)ра 7, второй вход соединен с выходом третьего блока 21 опорного напряжения, a выход инвертора 20, являюпщй- ся первым выходом модулятора 7, подключен к инвертирующему входу релейного элемента 22, неинвертирующий вход которого соединен с вторым входом модулятора 7, выходы которого соединены соответственно с,первым выходом релейного элемента 22 и отрицательным выводом дополнительного источника 23, положительный вывод которого подключен к второму выходу репейного элемента 22.

Сумнирзтощий дифференциатор 9 состоит Из операционного усилителя 24, инвертирующий вход которого через резистор 25 обратной связи подключен к выходу операционного усилителя 24, являющемуся выходом суммирующего дифференциатора 9, а неинвер тирующий вход связан с шиной 15, третьего резистора 26, включенного между входом суммирующего диф4)еренциа- тора 9 и инвертирующим входом операционного усилителя 24, четвертого резистора 27 и дифференцирующего конденсатора 28, последовательно соединенных и включенных параллельно резистору 26, .

Импульсный стабилизатор напряже- ния работает следующим образом.

В установившемся режиме работы напряжение с делителя 3 напряжения подается на вход усилителя 4 сигнала рассогласования, где оно сравнивается с напряжением, вьфабатьшаемым первым блоком 5 опорного напряжения. Разностный сигнал усиливается усилителем 4 и подается на модулятор 7. Сюда же поступает пилообразное напряжение с генератора Ь пилообразного напряжения. Напряжение с выхода усилителя 4 сигнала рассогласования сравнивается с пилообразным напряжением. В результате модулятор 7 вырабатывает прямоугольные импульсы, длительность которых находится в зависимости от напряжения на выходе усилителя 4 сигнала рассогласования.

При увеличении напряжения на вы- ходных выводах 1Ч длительность прямоугольных импульсов уменьшается. Время открытого состояния регулирующего элемента 1 за период, опреде- леЕНпй частотой колебаний генерато-

ра 8 пилообразного напряжения,уменьшается. Следовательно, выходное напряжение стабилизатора уменьшается.

При уменьшении напряжения на выходных выводах 19 длительность прямоугольных импульсов увеличивается. Время открытого состояния регулирующего элемента 1 увеличивается. Следовательно, выходное напряжение стабилизатора увеличивается. Таким образом происходит стабилизация выходного напряжения.

При включении ийпульсного стабилизатора на выходных выводах источника 12 появляется напряжение. Пороговое устройство 10 за счет воздействия на его второй вход отрицательного напряжения с второго блока 6 опорного напряжения находится в положении, при котором ключ 11 оказывается открытым. В интеграторе 13 начинается процесс заряда кон- денсатора 16 через параллельно соединенные резисторы 17 и 18. Напряжение на выходе операционного усилителя 14, измеренное относительно шины 15, начинает увеличиваться. Скорость изменения напряжения определяется постоянной времени заряда конденсатора 16:

t R-C,

(1)

где R - величина параллельного -г сопротивления резисторов

17 и 18; I

С - емкость конденсатора 16. В момент включения импульсного стабилизатора напряжение на выходе инвертора 20 будет близким к +Е. Это объясняется воздействием отрицательного напряжения с выхода третьего блока 21 опорного напряжения на вход инвертора 20. По мере заряда конденсатора 16 отрицательное напряжение с выхода третьего блока 21 опорного напряжения компенсируется напряжением с выхода интегратора 13. В результате напряжение на выходе инвертора 20 уменьшается. Как только амплитуда пилообразных импульсов, поступающих на неинвертирующий вход релейного элемента 22, оказывается боль-. ше, чем напряжение на его инвертирующем входе,на выходе релейного элемента 22 появляются прямоугольные импульсы, открывающие регулирующий орган 1. Импульсы усиливаются по мощности через источник 23. Частота следования импульсов определяется частотой работы генератора 8 пилооб514641

разного напряжения. Длительность импульсов по мере заряда крнденсато- ра 16 увеличивается, а следовательно, увеличивается время открытого g состояния регулирующего органа 1. Напряжение на выходных выводах 19 возрастаете Когда оно достигает номинальной величины, начинает действовать цепь отрицательной обратной ю связи - с выхода усилителя 4 сигнала рассогласования на инвертирующий вход релейного элемента 22 подается положительное напряжение, величина которого зависит от напряжения 15 на.выходных выводах 19. Работа импульсного стабилизатора в установившемся режиме описана.

Зид переходной характеристики им- пульсноя о стабилизатора при включе- 20 НИИ зависит от скорости изменения напряжения на его выходе.

Вследствие того, что LCD-фильтр 2 является инерционным звеном, переходная характеристика стабилизат ора 25 имеет колебательный характер при быстром изменении напряжения на выходных выводах 19 (фиг.За). При этом величина перерегулирования достигает 20-30% от номинального стабили- ЗО зированного напряжения.

Для уменьшения величины перерегулирования выходного напряжения в допустимых пределах необходимо умень- шить скорость нарастания напряжения, что достигается за счет увеличения постоянной времени заряда конденса- тора 16. При этом переходная характеристика импульсного стабилизатора принимает апериодический характер Q (фиг.Зб). Но и время переходного процесса tf,ep У нее увеличено.

На фиг.Зв изображена оптимальная переходная характеристика, не имеющая значительного перерегулирования, время переходного процесса у которой меньше, чем у характеристик, изображенной на фиг.Зб. Для получения оптимальной переходной характеристики (фиг.Зв) в предлагаемом импульсном стабилизаторе во время переходного процесса происходит изменение постоянной времени заряда конденсатора 16. Это достигается за счет отключения резистора 18 из цепи заряда конденсатора 16 в момент t, . Отключение резистора 18 производится ключом 11, которьй управляется пороговым устройством 10.

50

55

5

0

5 О

Q

0

5

506

Напряжение и„ - это напряжение на выходе импульсного стабилизатора, при котором происходит скачкообразное изменение вида переходной характеристики (при этом изменяется постоянная времени заряда конденсатора 16). Момент изменения вида переходной характеристики t, зависит от величины напряжения на вьпсоде импульсного стабилизатора и от вели-; чины напряжения на выходе второго блока 6 опорного напряжения, которое определяет порог срабатывания по- рового устройства 10. Скорость изменения выходного напряжения на начальном участке переходной характеристики определяется величиной сопротивления параллельно соединенных резисторов 17 и 18. Скорость изменения выходного напряжения на последующем участке переходной характеристики определяется величиной сопротивления резистора 17.

Таким образом, формируется оптимальная переходная характеристика импульсногс стабилизатора, не имеющая -значительного перерегулирования, В то же время длительность переходного процесса- оптимальной переходной характеристики по сравнению с переходной характеристикой апериодического вида (имеющей такую же величину перерегулирования) существенно уменьшена. Однако полученная переходная характеристика будет оптимальной лишь при неизменной величине нагрузки. Сопротивление нагрузки оказывает существенное влияние на коэффициент перадаточной функции LCD-фильтра 2, а следовательно, и на вид переходной характеристики.

В предлагаемом импульсном стабилизаторе суммирующий дифференциатор 9 учитывает и величину, и скорость изменения напряжения на выходе импульсного стабилизатора. Чем Bbmie скорость изменения напряжения на выходе импульсного стабилизатора и чем больше величина в ыходного напряжения, тем больше величина напряжения на выходе суммирующего дифференциатора 9. Чем круче начальный участок переходной характеристики, тем быстрее происходит срабатывание порогового устройства 10 и изменение вида переходной характеристики.

На фиг.4г и д приведены переходные характеристики соответственно

полиостью нагружен 101 о н ненлгружен- ного импульсного стабилизатора, в котором исключено влияние скорости изменения вь ходного напряжения на вид переходной характеристики. На фиг.4е приведена переходная характеристика предлагаемого импульсного стабилизатора в режиме полной нагрузки.

Сравнение фиг.4г и е показывает, что при прочих равных условиях у переходной характеристики, изображенной на фиг.4е, время действия участка с более крутым фронтом увеличено, а время переходного процесса

пер.

уменьшено.

Формула изобретения

Импульсньй стабилизатор напряжения с плавным запуском, содержащий регулирующий орган, входная депь которого соединена с выводами для подключения первичной питающей сети,. а выход через LCD-фильтр соединен с выходными выводами и с входом делителя напряжения, усилитель сигнала рассогласования, входы которого подключены к выходам соответственно делителя напряжения и первого блока опорного напряжения, широтно-импульс- ный модулятор, первый и второй входы .которого соединены с выходами соот

5

0

5

0

ветственно усилителя сигнала рассогласования и генератора пилообразного напряжения, а выход соединен с управляющим входом регулирующего органа, интегратор, выход которого , подключен к входу плавного запуска широтно-импульсного модулятора, а между входом интегратора и выходом источника постоянного напряжения включен первый зарядный резистор и источник постоянного напряжения, о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения качества выходного напряжения, в него введены суммирующий дифференциатор, пороговый узел, вто рой блок опорного напряжения, ключ и второй зарядный резистор, причем вход суммирующего дифференциатора соединен с выходом делителя напряжения, выход суммирующего дифференциатора соединен с первым входом поро- вого узла, второй вход которого подключен к выходу второго блока опорного напряжения, выход порогового узла соединен с входом ключа,выход которого через второй зарядный резистор подключен к входу интегратора, а выводы питания суммирующего дифференциатора, второго блока опорного напряжения, порогового узла и ключа соединены с соответствующими выводами источника постоянного напряжения .

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания радиоэлектронного оборудования. Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения. Широт- но-импульсный модулятор 7, сравнивая напряжения усилителя сигнала рассогласования 4 и генератора пилообразного напряжения 8, формирует по

а;

Фиг.3

Фиг. ft