Релейный стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1989 года по МПК G05F1/56 

ел

ГС

х

Oi

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных системах электропитания радиоэлектронной аппаратуры, устройств автоматики, средств вычислительной техники и других функцио- нальных устройств.

Целью изобретения является улучшение качества выходного напряжения путем повышения динамической точности при одновременном уменьшении диапазона изменения частоты переключения.

На чертеже приведена структурная схема релейного стабилизатора постоянного напряжения.

Релейный стабилизатор постоянного напряжения содержит транзисторный ключ 1, двухзвенный OLf -фнльтр 2, гистерезисный компаратор 3, суммирук)ш,ий усилитель 4, источник 5 эталонного напряжения, два инвертора 6, 7, два инвертирующих интегратора 8, 9, два инвертирующих сумматора 10, II, четыре разде.мительных конденсатора 12-15, инвертирующий усилитель 16 и датчик 17 тока. Последовательно включенные транзисторный ключ 8 и двухзвенный Z)Z.C- фильтр 2 включены между входным и первым выходным выводом 18. Второй выходной вывод 19 через датчик 17 тока подключен к общей тине. Управляющий вход транзисторного ключа 1 подключен к выходу гисте- резисно о компаратора 3, используемого в качестве формирователя управляющих импульсов. Двухзвенный DLC-фнльтр 1 включает в себя обратный диод 20, первые дроссель 21 и конденсатор 22 и вторые дроссель 23 и конденсатор 24. Вход гистерезис- ного компаратора 3 подключен к выходу суммирующего усилителя 4. К входам сум- . ирук)щего усилителя непосредственно подсоединены выходы источника 5 эталонного напряжения, инвертируюншх сумматоров 10, 11, первый выходной вывсд 18 и выход инвертирующего усилителя 16, а через разделительный ко |денса ор 14 общая точка дрос- селей 21 и 23 двухзвенного О/.С-фильтра 2. К первому и второму входам первого инвертирующего с мматора 10 подключены выходы первых инвертирующего интегратора 8 и инвертора 6. К первому и второму входам второго инвертирующего сумматора 11 под- соединены выходь вторых инвертора 7 и инвертирующего интегратора 9. К первому четвертому входам первого инвертирующего интегратора 8 соответственно подключенрм выход первого 14нверт(;ра 6, собственный выход первого инвертирующего интегратора 8, через разделите,1ьный конденсатор 13- второй выходной вывод 19 и вход второго инвертора 7. К первому- четвертому входам второго инвертирующего интегратора соответственно подсоединены выход первого инвертирующего сум.матора 10, выход второго инвертора 7, собственный выход второго инвертирующего интегратора 9 и через разделительный конденсатор 15 - общая точка

транзисторного ключа 1 с входом двухзвенного DLC-фильтра 2. Вход первого инвертора 6 через разделительный конденсатор 12 подсоединен к первому выходному выводу 18 Вход второго инвертора подключен к общей точке разделительного конденсатора 14 с соответствующим входом суммирующего усилителя 4. Вход инвертирующего усилителя 16 соединен с третьим входо.м первого инвертируюи1его интегратора 8.

Релейный стабилизатор постоянного напряжения работает следующи.м образом.

Транзисторный ключ 1 преобразует входное напряжение в последовательность прямоугольных импульсов L l, которая подается на вход двухзвенного DLC-фильтра 2. Эти импульсы преобразуются фильтро.м 2 в cr.ia- женное напряжение б а. При формировании напряжения Ц транзисторный ключ 1 управляется импульсами гистерезисного компара тора 3, на вход которого подается сигнал с выхода суммирующего-усилителя 4. Выходной сигнал гистерезисного компаратора 3 У связан с выходным сигналом суммирующего усилителя 4 1/„ следующей зависимостью:

frV, при {,/ „,

I Гч„ при t;,, -Л,

15 „ 25 30 0 б g

5

0

яо

напряжение открывания транзисторного ключа 1; напряжение запирания транзисторного ключа 1; 2 - ширина петли гистерезиса гистерезисного компаратора 3. Выходной сигнал L- ., суммирующего усилителя 4 определяется взвешенной суммой сигналов

Г ,. / +Л |;Т -.Л .,Г Н-Л 41-Ml- -Л-.У,,(2)

где Л | Л .т-- коэффициенты передачи сум.мирующего уси.1ителя 4 .яля

соответствуюншх сигналов;

(I - выходной сигнал второго сум матора 1 1;

( I- переменная составляющая на- пряжения конденсатора 22; выходной сигнал первого инвертирующего сумматора 10; Г J В1,1()дное напряжение фи. ИЛ - 1а 2, измеряемое на конденсаторе 24; /:i выходной си1 нал инвертир к)щек) уси,1ите.ля 16; 0 вь1ходно сигнал источника 5

-/галоннсго напряжения.

Сигнал П эквива. ;ентеп переменной составляющей токл ,, д})осселя 21 и ()1ределяется из уравнения

3)

,,-/C,r ,+/-С,(. :+Я,-I C.V..VjL,,

где /,i - индуктивность дросселя

С| емкость конденсатора 22; коэффициент;

Г переменная составляющая напряжения и.

Сигнал л формируется на выходе цени, состоящей н; инвертора 7, второго инвертирующего интегратора 9 и второго инвер- тируюн1его сумматора 11 и реа.чизуюнгей решение уравнения (3). Коэффициент / в уравнении (3) выбирается из условия обеспечения заданного времени :,t,i устранения неравенства между сигналом /i и переменной составляющей тока дросселя 21, обусловленного, во-первых, отличием 7 и переменной составляющей тока дросселя 21 в начальный момент времени и, во-вторых, возможр|ым несоответствием между значениями параметров /-1 дросселя 21 и С| конденсатора 22 фильтра 2 и цепи, реализующей решение равнения (3).

Время /,,, определяющее дли1ельность переходного процесса, находится по форинвертирующего интегратора 8 и первого инвертирующего сумматора 10, которая реализует рещение уравнения (4). Сигнал f l формируется на выходеJ aздeлитeльнoгo конденсатора 14. Сигнал L 2 соответствует вь1ходному напряжению фильтра 2. Сигнал ( :, формируется посредством датчика 17 тока, разделительного конденсатора 13, а усилителем 6 формируется сигнал - /Т

10

,

(5)

где

двыходное напряжение, формируемое на выходе разделительного конденсатора 13;

коэффициент усилителя инвертирующего усилителя 16; -сопротивление датчика 17 тока. Инвертирующий усилитель 16 может иметь зону нечувствительности 26 при наличии помех в выходном напряжении разделительного конденсатора 13 с амплитчдой .44i(S-0,7. Коэффициенты управления (2) выбираются из следующих соотношений;

д-

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Целью изобретения является улучшение качества выходного напряжения путем повышения динамической точности при одновременном уменьшении диапазона изменения частоты переключения. Транзисторный ключ 1 преобразует входное напряжение в последовательность прямоугольных импульсов, которая сглаживается двухзвенным фильтром 2. Длительность насыщенного состояния транзисторного ключа 1 определяется формирователем управляющих импульсов 3. На вход последнего поступает сумма напряжений, пропорциональных выходному напряжению стабилизатора, токам дросселей 21 и 23 первого и второго звеньев фильтра 2, напряжению на конденсаторе 22 первого звена фильтра 2, эталонному напряжению 5 и току датчика 17. Сигналы, пропорциональные токам дросселей 23 и 21 двухзвенного фильтра 2, формируются одинаковыми цепями, составленными из последовательно соединенных 6,7, инвертирующих интеграторов 8,9 и инвертирующих сумматоров 10,11. Суммирование указанных сигналов стабилизирует частоту переключения транзисторного ключа 1 и улучшает качество переходных процессов при действии внешних возмущений. 1 ил.

При этом в качестве первого приближения к (,j,,,, необходимо взять ,,),,м (и,,, где (о,. - резонансная частота того из звеньев силового фи.1ьтра 2, который имеет эту частоту выше., или общая резонансная частота фильтра 2 при равенстве резонанснь1х частот обоих звеньев фильтра 2 ,,,,, lvy/.C.

В качестве второго приближения к ц,.;, при условии, что стабилизатор работает с расчетной /,, по нервг)му приближению, необходимо взять 1,3,„,,|,|,„ 1.5,.),,. Здесь длительность переходного процесса ;, в релейном стабилизаторе при единичном входном воздействии (скачок тока нагрузки на 1 Л) оценивается по длите.1ьности переходного процесса в некоторой эквивалентной линейной системе с частотой среза „),;iДлительность /i связана с коэффициентом / выражением

Ml 3)

t

I :

И, следовательно, значение / однозначно определяется при выбранной длительности переходного фоцесса на выходе стабилизатора.

(л1гнал Т эквивалентен неременной со- став. 1яющей тока /j дросселя 23 и опреде- , 1 я стен из уравнения

t .

..-/сл.,. (:,L + Цj /Rш-/ СЛ..-( ://..:-( - /-,(4)

где L индуктивность дроссе.мя 23;

С.. емкость конденсатора 24;

7t - переменная составляющая выходного тока / стабилизатора. (Д1гна.1 / фор.мируется на выходе цепи, состоящей из первого инвертора 6, нервог о

25

,,С, С,

д.-цт;-- / , Л . -+-1:

(6)

30

К ; Къ

.С 2лС;

0

5

0

Коэффициент / в уравнениях (31 и (4)

. Юл обычно выбирается из условия , что

«л

обеспечивает требуемую скорость вычисления сигналов 7i, 7. эквивалентных переменным составляющим токов /;, /...

Введенные элементы позволяют организовать в релейном стабилизаторе постоянного напряжения, кроме основной цепи отрицательной обратной связи по выходном напряжению, дополнительные цепи отрицательной обратной связи, а именно; цепи внутренней отрицательной обратной связи но пере.менным состав.1яющим токов второго 23 и нервого 21 дросселей двухзвенного фнльтра 2, которые соответственно формируются цепями из первых и вторых последовательно включенных инвертора, инвертирующего интегратора и инвертирующего сумматора, цепи внутренней обратной свя.и по переменной составляющей выходного тока устройства, формируемой при помощи датчика 17 тока, разделительного конденсатора 13 и инвертирующего усилителя 16, и цепи внутренней обратной связи по переменной составляющей напряжения на конденсаторе 22 первого звена фильтра 2. формируемой разделительным конденсатором 14

Использование цепей дополнительных обратных связей по координатам состояний

двухзвениого О/-С-фильтра 2 обеспечивает при взве иенном суммировании их сигналов с указанными коэффициентами желаемый, близкий к апериодическому процесс устранения отклонений выходного напряжения устройства при скачкообразных возмущениях, например, при коммутации тока нагрузки при минимальном отклонении частоты коммутации от заданного значения.

Входные цепи внутренних обратных связей по переменным составляющим токов первого 21 и второго 23 дросселей фильтра 2 и тока стабилизатора имеют постоянные времени фильтрации постоянных составляющих сигналов (/, ;, 1, Г .. ; i. где L/:t - сигнал на выходе датчика 17 тока. Величины емкостей разделительных конденсаторов 12 15 и выходных сопротивлений, подключенных к ним инверторов 6 и 7, инвертирующих интеграторов 8 и 9, инвертирующего усилителя 16 выбраны так, что постоянные времени фильтрации сигналов Г, Г |, (. j, r l равны. Поэтому процесс фильтрации постоянных составляющих токов /:, /., /.; не влияет на сумматорную составляющую сигнала по току на выходе суммирующего усилителя 4, так как сигналы м, Т. -i суммируются на входе суммирующего усилителя 4 с коэффициентами, сумма которых равна нулю (учитывая « в канале тока /.О Л)- н1д-„+1 0.

Коэффициенты К,. Ai суммирующего усилителя 4 равны (при равенстве эталонного напряжения источника 5 U,, желаемому выходному напряжению стабилизатора U-) и определяют статический уровень выходного напряжения стабилизатора, а их величина в совокупности с остальными коэффициентами суммирующего усилителя 4 - характер и длительность переходного процесса на выходе стабилизатора, вызванного из.менением характера или величины нагруз ки, например ее коммутацией.

Переменная составляющая напряжения Г | конденсатора 22 О/,С-фильтра 2 суммируется с другими сигналами на суммирующем усилителе 4 с коэффициентом Л|. Постоянная времени фильтрации постоянной составляющей напряжения d не влияет на процессы в стабилизаторе, поскольку после выхода стабилизатора на статический режим по напряжению напряжение 6 i изменяется ма. ю, кроме того, постоянная времени фильтрации Tf выбирается близкой к темпу работы стабилизатора в переходный период ( Tf , 1.

Из всех сигналов (6i, ( -, -17-, 7i, ;j, - /0. поступающих на суммирующий усилитель 4, сигнал /Т имеет небольшую переменную составляющую пилообразного характера. На уровне 7i остальные сигналы составляют в статическом режиме стабилизатора .менее 10%.

Сигнал 71 суммируется в суммирующем усилителе 4 с коэффициентом 1. Частота

переключений гистерезисного компаратора 3 будет совпадать с частотой сигнала ТТ, так как на выходе сум.мирующего усилителя 4 сигналы и,, Un сбалансированы по условию 5 и дают в сумме ноль, а из сигналов /Т, /Т, -7, имеет наибольщую амплитуду.

В свою очередь, частота переменного сигнала по току 77 зависит от скорости изменения /I на периоде, а скорость зависит от

Q индуктивности первого дросселя 21 L. Кроме тог о, частота сигнала 7i зависит от ширины зоны гистерезиса гистерезисного компаратора 3. так как он перек.мючается в моменты достижения сигналом /Т значений . -. Действительно, контур гистерезисный

5 компаратор 3, транзисторный ключ 1, ток 71 дросселя 21 составляют генератор пилообразного сигнала 71- Данный генератор аналогичен широко применяемы.м генераторам, состоящим и:( интеграторов и г истерезисных компараторов. При выбранной индуктивности /., дросселя 21 частота колебаний в данном контуре зависит только от ширины зоны гистерезиса 2 гистерезисного компаратора 3. При настройке стабилизатора щи- рина гистерезиса 2 гистерезисного компа5 ратора 3 устанавливается так, чтобы частота переключений транзисторног о ключа 1 была максимально допустимой. Вид и величина нагрузки практически не влияют на частоту, генерируемую внутренним контуром. Данная частота является частотой автоколебаний данной внутренней нелинейной системы. Этот эффект возникает из-за того, что между нагрузкой и дросселем 21 имеется разделяющий фильтр: дроссель 23, емкости 24, 22, полностью развязывающий на частоте автоколебаний нагрузку и дроссель 21. Величина нагрузки не влияет на частоту автоколебаний, так как при постоянном входном напряжении и малом активном сопротивлении дросселей 21 и 23 изменение нагрузки ведет к изменению то,тько постоянной составляю0 шей тока л и не изменяется скорость нарастания тока л на периоде, т. е. не изменяется форма переменной составляющей тока /i дросселя 21, которая опреде.пяет частоту автоколебаний стабилизатора.

Коэффициенть ,, I, с которыми

5 сигналы 1/г, , ( :, ,|, 7j, -7( суммируются на суммирующе.м усилителе 4, рассчитанные по формулам (6) обеспечивают устойчивый процесс регулирования (стабилизации) напряжения , на выходе 0/.(7-фильтра 2 ста- би. щзатора. При этом независимо от величины и cooтllonJeния индуктипчостей дросселей 21, 23 и емкостей конденсаторов 24, 22 обеспечивается близкий к апериодическому процесс устранения во.жикающи.х по тем или иным причинам отклонений выходного

5 напряжения от стабилизатора. Отклонения напряжения стабилизатора возникают при коммутации какой-либо части нагрузки, например активной на -рузки, или при изменении ее величины.

0

5

0

Ко ффнциенты ,-, в интеграторах 8 и 9 и сумматорах 10 и 11 в соответствии с лиффереициа.чьными уравнениями (3) и (4) равны:

для цепи обратной свя:и-1 по переменной составляющей тока дроссе.чя 21 л, образованной последовательно соединенными вторыми инвертором 6, инвертирующим интегратором 9 и инвертируюн1им сумматором II:

.,, .I (:,: :, /;

Л-, /: з (7)

для цепи обратной связи по переменной составляющей тока дросселя 23 Тг. образованной последовательно соединенными первыми инверторг)м 6, инве)тируюн1им интегратором 8 и инвертирук) сумматором 10:

I L,. + l Ci: K,-.l/Ru:

Л 4 /: Л 5 /Г;...(8)

Коэффипиенте 1 К ,, рассчитанные по (7) и (8|, в данных цепях обратных связей обеспечивают непрер1,1вное вычисление переменных составляющих токов п. /- дрос- се.1ей 21 и 23 /Т. /Те скоростью, более чем в К) раз превышающей процессы в стабилизаторе. При этом вычислители /Т. 77 построены гак, что подстансшка в формулы (7) и (81 неточных (до 10%) значений индуктивнос- тей дросселей 21 и 23 L, 1.2 и емкостс 1 конденсаторов 22 и 24 С и Cj не оказывает в.1ия- ния на достаточно точное вычисление ТТ и 7.

Как уже указывалось, фильтрация постоянных составляющих токов i. /j, /i не сказывается на суммарном си нале по току на вьгходе суммирующего усилите.1я 4, так как си налы л. /j, 77 суммируются на суммирующем усилите.ле 4 t коэффициентами, сумма которых у /Т и 7: (l+A i ) равна коэффициенту Л | суммирования сигнала /.j. {А . щ честь, что постоянные составляющие эгих токов равны, то при суммировании сиг- па,юв 7. Т-- п на суммирующем усилителе 4 влияние постоянной времени фильтрации Т па выходе суммирующего си, 1ите, 1я 4 взаимно уничгожается.

Фи, Ц)Тра ция постоянной сое га в,1яющей напряжения I на конденсаторе 22 гакже не сказывается на сумма()Н()м сигна, 1е по напряжению на вьгходе суммирующег о уси- ,1ите.1я 4 но ка:(аииьгм |Гричинам.

(л11,ча,| LI можно Н1м|)и/1ьгр()ват1 II цвести с коэф1|)ицие1П()1 Л ; и счммирующий уси, 1и- ге,и 4 (в этом с, д,1я комиенсации по- сг()янно11 состав,1яю1цей сигна, 1а i необходимо уве, 1ич1пь коэф()1ициент Л ,-, на вели- чинх Л ;, :, е. К-,-- К Л Д Однако, получив те Же динамические процессы в сгабилиза- го|)е, мы ухуд||П,111 бь: с топическую точность сгаГ)И. 1и: атора, : ак как постоянная состав- .1чющая падения напряжения на д()()сселе 23 (зависит от тока нагрузки и акг1 впо:о )отив, 1е|1 ия дргхччмя 23) в,1ия,1а 6i,i па ре- гу,-|црование с raTH iecKoro уровня иыходиого напряжения ( v стаби.ипатора.

(д1гна,1Ы /, /., / , ( . /I Г: можно тоже не фи.1ьтровагь и внодип) в вычис.-щте.ш

0

5

0

5

0

Б

0

и далее в суммирующий усилитель 4 с постоянными составляющими. При этом в вычислителях токов л. i-2 потребовались бы операционные усилители с большим динамическим диапазоном выходных напряжений (более четырех номинальных значений выходного напряжения стабилизатора).

Таким образом, фильтрация постоянных составляющих соответствующих сигналов л, /L , /1, И. l, f 2, используемых для вычисления переменных составляющих токов к , 77, -7j, выполнена с целью максимально использовать динамический диапазон опера- Циониых усилителе, на которых выполнены пнверторы 6 и 7, инвертирующие интеграторы 8 и 9 и инвертирующие сумматоры 10 и 11. Фи,1ьтрация сигнала ( i (напряжение на конденсаторе 22| проведена с целью повышения статической точности стабили- :и)тора.

Г1рименив фильтрацию постоянной составляющей сигналов /I, /:., л, i . L . участвующих в по. пчении сигна,1а управ,1ения стабилизатором на выходе суммирующего уси,1ите,1Я 4, мы по.ичили эффект использования полных сигналов л, ,, ,,. Г, i для сигнала на выходе усилителя 4.

Таким образом, до11олните,тьные э,темен- ты: инверторы 6 п 7. инвертирующие интеграторы 8 и 9, инвертирующие сумматоры 10 и 11, раз.челительные конденсаторы 12-15 и инвертирующи11 усилитель, образующие донолнительные обратные связи по переменным состав,|ян)щим токов дроссе.тей 21 и 23, по неременной составляюп ей напряжения на конденсаторе 22 и по переменной составляющей выходного тока стабилизатора 7Т, ||оии).1Я10т при на,Н1чни необходимых коэффициентов (5) на суммирующем уси.ттеле 4 по.пчить требуемый вид переходного процесса плавный, близкий к апериодическому (с пезначите,1ьным перерегулированием); требуемую д, 1ительность переходного процесса /, но выходно.му напряжению стаби- ,1нзатора и (напряжение на конденсаторе 24) при коммутациях вс( видов нагрузки (в том числе при коммутации чисто резис- гивн(1Й нагрузки): требуемую преде, 1ьно вЬ Сокук) частотх переключений транзисторного к,|юча 1: с.) зависимость частоты 11е|1еключений к,1юча i от величины и вида иаг П зки. т. е. малый диапазон ее изменения.

Формула изобретения

Ре,кЧ1ный стабилизатор ностоянно|() напряжения, содержащий транзисторный к, 1юч., включенный между входным выводом и вхо- лпм дв хзвенног( )/.С-фи,1ьтра. выходом соединенного с первым выходны.м выводом и ,)бщей тиной, суммирующий усилите.1ь. первым входом соединенный с источником эталонного напряжения, вторым входом подключенный к первому выходному вывс.. -.

11

152У196

и выходом подсоединенный к формирователю управляющих импульсов, выход которого соединен с управляющим входом транзисторного ключа, и второй выходной вывод, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения путем по- выщения динамической точности при одновременном уменьщении диапазона изменения частоты переключения, в него введены датчик тока, четыре разделительных конденсатора, два инвертора, инвертирующий усилитель, два инвертирующих интегратора и два инвертирующих сумматора, а суммирующий усилитель дополнительно снабжен четырьмя входами, причем первый выходной вывод через последовательно соединенные первый разделительный конденсатор и первый инвертор подключен к первому входу первого инвертирующего интегратора, выход которого соединен с первым входом первого инвертирующего сумматора и вторым входом первого инвертирующего интегратора, выход первого инвертирующего сумматора соединен с третьим входом суммирующего усилителя и первым входом второго инвертирующего интегратора, второй выходной

0

5

0

12

вывод через датчик тока подключен к общей щине и через второй разделительный конденсатор - к третьему входу первого инвертирующего интегратора и входу инвертирующего усилителя, выход которого подсоединен к четвертому входу суммирующего усилителя, общая точка дросселей двухзвен- ного DLC-фильтра через третий разделительный конденсатор подсоединена к пятому входу суммирующего усилителя, четвертому входу первого инвертирующего интегратора и входу второго инвертора, выход которого подключен к первому входу вторюго инвертирующего сумматора и второму входу второго инвертирующего интегратора, выход второго инвертирующего сумматора соединен с щестым входом суммирующего усилителя, третий вход второго инвертирующего интегратора соединен с собственным выходом и вторым входом второго инвертирую- Qiero сумматора, а четвертый вход через четвертый разделительный конденсатор подсоединен к общей точке О/.С-фильтра с транзисторным ключом, второй вход первого инвертирующего сумматора соединен с выходом первого инвертора.