Стабилизатор напряжения Советский патент 1990 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры.

Целью изобретения является увеличение диапазона регулирования тока нагрузки при широких пределах регулирования выходного напряжения,,

На фиг.1 приведена схема стабилизатора напряженияi на фиг.2 и 3 примеры выполнения схемы стабилизирующей ступени; на фиг.4 - схема формирователя управляющих импульсов.

Стабилизатор напряжения (фиг.1) содержит силовой трансформатор 1, первичная обмотка которого включена в сеть. Вторичная обмотка 2 подключена к мостовому выпрямителю 3, подключенному одним выводом к общему выво- . ду стабилизатора, а другим - к первому ключу 4 и второму входу стабилизирующей ступени 5.Отвод обмотки 2 через днод 6 соединен с ключом 4, Диодом 7 и третьим ключом 8 второй йыпрямительной ячейки 9, выполненной на диодах 7 и 10, ключах 8 и 1 1 и вторичной обмотке 12, подключенной к мостовому выпрямителю 13. Диод 7 вторым выводом подключен к диоду 10, второму ключу 11 и диоду 14 и ключу 15 первой ячейки 16, выполненной на диодах 14 и 17, ключах 15 и 18 и вторичной обмотке 19, подключенной к мостовому выпрямителю 20, Диод 14 Вторым выводом подключен к диоду 17, Ключу 18, первому входу ступени 5 И конденсатору фильтра 21. Диод 10 вторым выводом соединен с отводом обмотки 12, а диод 17 - с отводом обмотки 19. Ключ 11 соединен с первы выходным выводом выпрямителя 13, а ключ 18 - с первым выходным выводом выпрямителя 20, второй выходной вывод которого подключен к ключу 15 и диоду 22. Второй вывод диода 22 соединен с вторым выходным выводом выпрямителя 13, ключом 8 и диодом 23, подключенным другим выводом к общему выводу. Выход ступени 5 подключен к выходу стабилизатора, а ин- формационные выходы - к входам блока 24 памяти, выходы которого подключены к управляющим входам всех ключе

Стабилизирующая ступень 5 (фиг.2) содержит регулирующий элемент 25, включенный между перьым входом и выходом ступени и управляющим входом соединенный с выходом усилителя 26, инвертирующий вход которого подключен к выходу стабилизатора и входу первого аналого-цифрового преобразователя 27, а неинвертирующий вход к выходу источника 28 опорного напряжения. Второй вход ступени через диод 29 подключен к конденсатору 30 и входу второго аналого-цифрового преобразователя 31. Цифровые выходы преобразователей 27 и 31 подключены к входам блока 24 памяти.

Стабилизирующая ступень 5, пока

занная на фиг.З, содержит регулирую1 щий элемент 25, включенный между первым входом и выходом ступени и управляющим входом соединенный с выходом усилителя 26, неинвертирующий вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 32, цифровые входы которого подключены к выходам реверсивного счетчика 33 и

, JQ 1520 25 7п .

- дг. -

50

55

входам блока 24 памяти. Счетные входы счетчика 33 подключены к формирователю 34 управляющих импульсов, первый выход которого подключен к первому входу логического элемента 2 ИЛИ - НЕ 35, второй вход которого через стабилитрон 36 соединен с общим выводом, а через параллельно соединенные диод 37 и резистор 38 - с выходом стабилизатора. Цифровые входы счетчика 33 подключены к общему проводу и источнику питания так, чтобы код, получаемый в результате такого подключения цифровых входов соответствовал максимальному коду счетчика 33. Выход переноса счетчика 33 подключен к его управляющему входу записи

Формирователь 34 управляющих импульсов (фиг.4) содержит три RS- триггера 39, 40 и 41, установочные R и S входы которых подключены к неподвижным контактам соответствующих кнопок Режим 42, + 43 и - 44, подвижные контакты которых соединены с общим выводом. Выход первого триггера 39 подключен у счетному входу четвертого триггера 45, прямой выход которого подключен к входу генератора 46, а инверсный через последовательно соединенные резистор 47 и светодиод 48 - к источнику питания. Выход генератора 46 подключен к первым входам первого и второго логических элементов 49 и 50, вторые входы которых подключены к выходам соответственно второго и третьего триггеров. Выход элемента 49 подключен к выходу формирователя 34, соединенного с входом на увеличение реверсивного счетчика 33, а выход элемента 50 - с входом на уменьшение. Выход триггера 39 подключен к первому входу формирователя 34, соединенному с входом элемента 35 ().

В качестве полупроводниковых ключей можно использовать как транзисторы, так и тиристоры с соответствующими цепями согласования с выходами блока 24 памяти, выполненного, например, на микросхемах КР556РТ5. В качестве АЦП можно использовать микросхему К572ПВ1 или ей подобные, а в качестве усилителя - операционный усилитель - микросхемы К140УД1, К140УД2 с соответствующими делителями на входе0 Источником опорного напряжения может быть любой регулируемый источник опорного напряжения. В качестве ЦАП можно использовать, например, микросхему К572ПА1, К572Г1А2 и др., а реверсивный счетчик 33 может быть выполнен на микросхеме К155ИЕ7, триггеры 39, 40, 41 и 45 - на микросхеме К155ТМ2, а элементы 49 и 50 - на микросхеме К155ЛИ1.

Стабилизатор напряжения работает следующим образом с

Ступень 5 и Ьлок 24 памяти управляют работой ключей так, чтобы в зависимости от величины выходного и входного напряжения напряжение на выходе выпрямителя, т.е. на входе ступени, было минимально необходимым для нормальной работы стабилизатора. Когда все ключи выключены, вторичные обмотки 2, 12 и 19 работают по схемам двухполупериодных выпрямителей параллелыю на конденсатор 21. Обмотка 2 работает через диоды 6, 7 и 14 и соответствующие диоды моста 3, обмотка 12 - через диоды 10 и 14, соответствующие диоды моста 13 и диод 23, а обмотка 19 - через диод 17, соответствующие диоды моста 20, диоды ,22 и 23. Когда включены ключи 4, 11 и 18, обмотки 2, 12 и 19 работают по схемам мостовых выпрямителей также параллельно на конденсатор 21. При открывании ключей 4, 11 и 18 диоды 6, 10 и 17 закрываются напряжениями, поступающими с соответствующих мостовых выпрямителей 3, 13 и 20 через открытые кпючи, при этом обмотка 2 работает через мост 3, ключ 4 и диоды 7 и 14, обмотка 12 - через мост 13, ключ 11 и диоды 14 и 23, а обмотка 19 - через мост 20, ключ 18 и диоды 22 и 23. При включении ключа 8 мост 13 соединяется с диодами 6 и 7, в результате диод 23 закрывается выходным напряжением, поступающим от обмотки 2 через ключ 8, а диод 7 - выходным напряжением ячейки 9, поступающим через ключ 8 и диод 10 или ключ 11 от обмотки 12. Таким образом, при включении ключа 8 обмотка 2 и ячейка 9 включают ся последовательно, а ячейка 16 окатывается подключенной только параллельно ячейке 9, так как диод 23 закрыт и точка соединения диода 23 с диодом 22 становится общей для ячеек 9 и 16„ При включении ключа 15 мост 20 соединяется с диодами 14, 10 и 7, в ретультате диод 22 закрывается выходным напряжением ячейки 9, а диод 14 - выходным напряжением ячейки 16, поступающим через ключ 15 и диод 17 или ключ 18

от обмотки 19. Следовательно, включение ключа 15 приводит к последовательному включению ячеек 9 и 16, при этом в зависимости от режима работы ключа 8 ячейка 9 может работать так

Q параллельно обмотке 2, так и последовательно с ней.

Таким образом, включение ключей 4, 11 и 18 приводит к переключению выпрямительных ячеек с двухполупе5 РИОДНЫХ схем выпрямления в мостовые, а включение ключей 8 и 15 переключает ячейки с параллельной работы в последовательную. Следовательно, переключение ключей соответствующим

0 образом в схеме на фиг.1 позволяет получить на выходе выпрямителя шесть ступеней выпрямленного напряжения. Переключение ключей производится сигналами с выходов блока 24 памяти в

5 соответствии с программой, записанной в блок 24 по сигналам на его входе, поступающим со стабилизирующей ступени 5.

Ступень 5, показанная на фиг.2,

0 работает следующим образом.

Регулирующий элемент 25, усилитель 26 и регулируемый источник 28 опорного напряжения являются элементами обычного компенсационного стабилизатора напряжения и обеспечивают стабилизацию выходного напряжения и равенство его напряжению источника 28. Первый АЦП 27 подключен к выходу стабилизатора, и цифровой код на его

Q выходе соответствует выходному напряжению, а второй АЦП 31 подключен к мосту 3 через диод 28 и, так как напряжение на выходе моста 3 не зависит от работы ключей, выпрямленное

с напряжение на конденсаторе 30 будет определяться только напряжением сети, т.е. цифровой код на выходе АЦП 31 будет соответствовать сетевому напряжению. Следовательно, на

д входе блока 24 памяти действуют коды, определяемые выходным и сетевым напряжениями, что позволяет с помощью блока 24 памяти преобразовывать коды, поступающие на его входы, в сигналы для управления ключами так, чтобы выходное напряжение выпрямителя обеспечивало работоспособность стабилизатора и напряжение на регулирующем элементе было минимальным для

5

данного выходного и входного напряжений вторичных обмоток.

Стабилизирующая ступень 5, изображенная на фиг.З, работает следующим образом.

При включении стабилизатора напряжение на выходе стабилизатора и на выходе триггера 40 (фиг.4) равны О, следовательно, на выходе элемента 2 ИЛИ - НЕ 35 сигнал 1, который поступает на вход установки нуля счетчика 33 и устанавливает на его цифровых выходах 0 0 ЦДЛ 32 код О преобразовывает в аналоговый О который отрабатывается усилителем 26, в результате по окончании процесса включения на выходе стабилизатора будет О. Цифровой код О с выходов счетчика 33 поступает в бло 24 памяти, который по этому коду оставляет все ключи в выключенном состоянии, т.е. на входе ступени 5 присутствует минимальное напряжение, равное одной ступени регулирования выходного напряжения выпрямителя. При нажатии кнопки 43 на S-вход триггера 40 подается О, что приводит к появлению 1 на выходе триггера 40, т.е. на входе элемента 35, а это вызывает появление на его выходе О который разрешает работу счетчика 33 по счетным входам. Удерживая нажатой кнопку 43, кратковременно нажимают кнопку 42 - Режим. Это приводит к появлению 1.на прямом выходе триггера 45 и О на инверсном. В результате загорается светодиод 48, указывающий о работе генератора 46, который включается сигналом 1 с прямого выхода триггера 45. Включение генератора 46 приводит к появлению на его выходе импульсов, которые через элемент 49 поступают на счетный вход счетчика 33 и увеличивают код в счетчике 33. Увеличение кода в счетчике 33 приводит к увеличению выходного напряжения стабилизатора. При достижении кодом в счетчике 33 значения, при котором напряжение на регулирующем элементе 25 (ирэ), определяемое как

UP3 UBB

U&c

U 66

выходное напряжение выпрямителя ,

выходное напряжение стабилизатора,

0

5

0

5

0

5

0

5

становится минимально допустимым для элемента 25, блок 24 памяти включает ключи 4, 11 и 18, увеличивая вЬрсод- ное напряжение выпрямителя на одну ступень Дальнейшее увеличение кода в счетчике 33 и напряжения на выходе стабилизатора приводит к переключению ключей выпрямителя соответствующим образом для увеличения выходного напряжения выпрямителя на следующую ступень, определяемую половиной вторичной обмотки, при достижении напряжением на элементе 25 минимального значения. При достижении выходным напряжением требуемого значения кнопку 43 отпускают и кратковременно нажимают кнопку 42. Счетные импульсы перестают поступать на счетный вход счетчика 33, и рост выходного напряжения прекращается. Генератор 46 выключается, и светодиод 48 гаснет. Выходное напряжение стабилизатора через резистор 38 поступает на второй вход элемента 35 и удерживает сигнал О на его выходе, что обеспечивает сохранение установленного кода в счетчике 33, т.е. выходного напряжения, и дальнейшую работу счетчика 33 и ступени 5„ Стабилитрон 36 ограничивает напряжение на входе элемента 35 в допустимых для используемых типов микросхем пределах. При достижении выходным напряжением стабилизатора максимального рабочего значения в счетчике 33 максимальный код и следующий счетный импульс на увеличение вызывает появление импульса на выходе переноса счетчика 33, который, поступая на управляющий вход записи счетчика 33, записывает в счетчик 33 код, установленный на его цифровых входах, равный максимальному, а так как импульс на входе счетчика заканчивается раньше, чем на выходе переноса, то по окончании счетного импульса значение максимального кода не изменяется„ Таким образом, после достижения максимального кода в счетчике 33 поступление счетных импульсов на увеличение не изменяет состояния счетчика 33.

При нажатии кнопки 44 на выходе триггера 41 появляется 1, которая, поступая на счетный вход на уменьшение, положительным фронтом вызывает уменьшение кода в счетчике 33, если на выходе стабилизатора изменится напряженнее Если на выходе стабилиза-

тора - О, то счетчик 33 не изменяет своего состояния, так как сигнал 1, поступая с выхода элемента 35 на вход установки нуля сметчика 33, препятствует его работе. При удержании кнопки 44 нажатой и кратковременном нажатии кнопки 42 код в счетчике 33 уменьшается с частотой счетных и:шульсов, поступающих с выхода генератора 46 на счетный вход счетчика 33 Уменьшение кода в счетчике 33 вызывает уменьшение выходног напряжения стабилизатора, при уменьшении которого до величины, когда напряжение на регулирующем элементе 25 равно

U,

Р где ди

илп - и„ и

ьв

вс

Jp in ift

+аи

в&

ВБ

- величина ступени регулирования выходного напряжения выпрямителя,

блок 24 памяти переключает ключи так чтобы выходное напряжение выпрямителя уменьшилось на одну ступень, и т,д. до уменьшения выходного напряжения до требуемого значения., При уменьшении выходного напряжения до величины порога срабатывания элемента 35 при регулировании или при перегрузке, или при коротком замыкании нагрузки на выходе элемента 35 появляется 1, которая, поступая на вход установки нуля счетчика 33, устанавливает в нем О. Таким образом, уменьшение выходного напряжения стабилизатора происходит только до О, после чего счетчик 33 блокируется от дальнейшего уменьшения, препятствуя этим появлению на выходе стабилизатора после О максимального значения при регулировке, а при перегрузке или коротком замыкании нагрузки происходит сброс кода в счетчике 33 до О, защищая этим выход стабилизатора от аварийных режимов работы.

В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом увеличен диапазон регулирования тока нагрузки при широких пределах регулирования выходного напряжения за счет переключения вторичных обмоток трансформатора из последовательного режима в параллельный, что увеличивает коэффициент использования трансформатора и уменьшает потери мощности на регулирующем элементе стабилизирующей ступени, увеличивая КПД стабилизатора.

10

15

20

25

561069Ю

Кроме того, при переключении схем выпрямления с мостовой на двухполу- периодную ток нагрузки можно увеличить в -$ раз, но, так как транс- 5 форматор содержит (n-И) вторичных обмоток, которые могут быть переключены с последовательного режима в параллельный, при переключении по две вторичных обмотки в параллельный режим работы ток нагрузки можно увеличить также в два раза, при переключении по три обмотки - в три раза, по четыре - в четыре раза, все (п+1) обмотки - в (п+1) раз. Таким образом, переключение вторичных обмоток в параллельный режим работы ; увеличивает диапазон регулирования тока нагрузки по сравнению с прототипом, во столько раз,сколько вторичных обмоток переключено на параллельную работу при снижении выходного напряжения Например, при числе вторичных обмоток 4 и уменьшении выходного напряжения выпрямителя в 8 раз за счет переключения на параллельную работу вторичных обмоток, работающих по двухполупериодной схеме, ток нагрузки можно увеличить в 5,6 раза.

Снижение выходного напряжения приводит к уменьшению падения выходного напряжения стабилизатора приводит к уменьшению падения напряжения на регулирующем элементе стаби- 35 лизирующей ступени и, следовательно, к снижению выделяемой на нем мощности, т.е. к повышению КПД. Например, при уменьшении выходного напряжения в 8 раз во столько же раз уменьшается и выходное напряжение выпрямителя, т.е. КПД будет таким же, как при максимальном выходном напряжении.

Подключение второго АЦП к выходу первого мостового выпрямителя позволяет регулировать выходное напряжение выпрямителя в зависимости от напряжения сети, т.е. исключает снижение выходного напряжения выпрямителя ниже выходного напряжения стабилизатора, что не требует создания на регулирующем элементе дополнительного напряжения для учета минимального сетевого напряжения. Подключение первого АЦП к выходу позволяет, кроме регулирования выходного напряжения выпрямителя в зависимости от выходного напряжения стабилизатора, снижать выходное напряжение выпрями30

40

45

50

55

I

теля до минимума, т.е. до величины одной ступени регулирования, при перегрузке или коротком замыкании в нагрузке, что повышает надежность в работе, так как в аварийном режиме напряжение на регулирующем зле- менте минимально. Использование реверсивного счетчика и ЦАП позволяет обеспечить дистанционное управление как увеличением и уменьшением выходного напряжения,, так и установкой требуемого напряжения путем подачи соответствующего кода на входы реверсивного счетчика и записью его в счетчик.

Формула изобпетения

1

1. Стабилизатор напряжения, содержащий силовой трансформатор, выпрямительную ячейку, кондексатор фильтра, стабилизирующую ступень, выход которой подключен к выходным выводам устройства, один из которых является общим выводом, причем конденсатор фильтра подключен к входу стабилизирующей ступени, кроме того, выпрямительная ячейка содержит мостовой выпрямитель и обмотку с отводом от середины, размещенную на силовом трансформаторе, при этом концы этой обмотки подключены к входу мостового выпрямителя, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона регулирования тока нагрузки при широких пределах регулирования выходного напряжения,, в него введены блок памяти, 2п диодов и п дополнительных выпрямительных ячеек, каждая из которых содержит диод,два полупроводниковых ключевых элемента, мостовой выпрямитель и обмотку с отводом от середины, размещенную на силовом трансформаторе, при этом концы этой обмотки подключены к вход мостового выпрямителя, а диод и первый ключевой элемент включены последовательно между отводом обмотки и первым выходом мостового выпрямителя кроме того, в выпрямительную ячейку введены диод и полупроводниковый ключевой элемент, включенные последовательно между отводом обмотки и

10

15

20

25

у, 56106912

ледовательно через соответствующие диоды, причем второй выход мостового выпрямителя n-й дополнительно выпрямительной ячейки через диод - соединен с общим выводом, при этом точки соединения диода и первого ключевого элемента п дополнительных выпрямительных ячеек и выпрямительной ячейки соединены последователь- но через соответствующие диоды, кроме того, второй выход мостового выпрямителя каждой из п дополнительных выпрямительных ячеек соединен через второй ключевой элемент с точкой соединения диода и первого ключевого элемента следующей дополнительной выпрямительной ячейки, причем второй выход мостового выпрямителя n-й дополнительной выпрямительной ячейки соединен с точкой соединения диода и ключевого элемента выпрямительной ячейки, а точка соединения диода и первого ключевого элемента первой дополнительной выпрямительной ячейки соединена с входом стабилизирующей ступени, второй вход которой соединен с точкой соединения первого выхода мостовою выпрямителя п ключевого элемента выпрямительной ячейки, при этом информационные выходы стабилизирующей ступени соединены с входам; блока памяти, выходы которого подключены к управляющим входам ключевых элемент ОВ0

2„ Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что стабилизирующая ступень содержит регулирующий элемент, включенный между ее первым входом и выходом, усилитель, два аналоге - цифровых преобразователя, источник опорного напряжения, диод и конденсатор, при этом управляющий вход регулирующего элемента соединен с выходом усилителя,инвертирующий вход которого соединен с выходным выводом устройства и входом первого аналоге - цифрового преобразователя, а неинвертирующий вход - с выходом источника опорного напряжения, причем вхсд второго аналоге - цифрового преобразователя,шун- i

тированный конденсатором, через диод

30

35

40

45

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры. Целью изобретения является увеличение диапазона регулирования тока нагрузки при широких пределах регулирования выходного напряжения. Стабилизатор напряжения содержит силовой трансформатор, N+1 выпрямительных ячеек, конденсатор фильтра, 2N диодов, стабилизирующую ступень и блок памяти, причем каждая выпрямительная ячейка содержит диод, полупроводниковые ключевые элементы, мостовой выпрямитель и обмотку с отводом от середины, размещенную на силовом трансформаторе. Увеличение диапазона регулирования тока нагрузки при широких пределах регулирования выходного напряжения достигается за счет переключений выпрямительных ячеек из последовательного режима работы в параллельный, а также за счет переключения выпрямителей ячеек из режима работы по мостовой хеме в режим работы по двухполупериодной схеме, осуществляемых ключевыми элементами. Ключевые элементы управляются сигналами от блока памяти, подключенного к информационным выходам стабилизирующей ступени. Кроме того, изобретение позволяет увеличить коэффициент использования силового трансформатора и повысить КПД стабилизатора. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

первым выходом мостового выпрямителя, соединен с вторым входом стабилизируювторои выход которого соединен с общим выводом, а вторые выходы место вых выпрямителей п дополнительных выпрямительных ячеек соединены посщеи ступени, при этом выходы аналого-цифровых преобразоватепей являются информационными выходами стабили- зируюшей ступени.

щеи ступени, при этом выходы аналого-цифровых преобразоватепей являются информационными выходами стабили- зируюшей ступени.

Сеть

входы реверсивного счетчика соединены с выходами формирователя управляющих импульсов, дополнительный выход которого подключен к входу ло- гического элемента 2ИПИ - НЕ, второй вход которого через стабилитрон соединен с общим выводом и через параллельно соединенные первый диод и

л -резистор - с выходным выводом, а выход логического элемента 2ИЛИ - НЕ подключен к входу установки нуля реверсивного счетчика, выход переноса которого соединен с управляющим входом записи, а вход аналоге - цифрового преобразователя, шунтированный конденсатором, через второй диод соединен с вторым входом стабнлизирую- .щей ступени, при этом выходы анало0 го - цифрового преобразователя соединены с информационными выходами стабилизирующей ступени.

Фиг.1

Вход 1

5/i.

Фиг.з

Режин V

в

-

Фиг. 4

Редактор А. Лежнина

Составитель Н. Якушкин

Техред Л.Олийнык Корректор М. Кучерявая

Заказ 977

Тираж 649

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Ю 7

Подписное