Многофазный резонансный стабилизатор напряжения Советский патент 1993 года по МПК G05F1/56 

со

С

Использование: в источниках электропитания аппаратуры различного назначения. Сущность изобретения: стабилизатор содержит источник опорного напряжения 1, узел сравнения 2, преобразователь-напряжения в частоту 3, коммутационную панель 4, первый и второй D-триггеры 5 и 7, первый и второй диоды 6 и 8, первый и второй счетные триггеры 9 и 10, резистор 11, первый и второй формирователи.строб-импульсов 12 и 15, первый элемент 2И 13, третий (М+1)-й элемент 2И 14, второй элемент 2И 16,

00

о о

Јь

ел

четвертый 2М-й элемент 2И 17, первый элемент 2ИЛИ 18, первый одновибратор 19, третий (М+1)-й элемент 2 ИЛИ 20, второй M-й элемент 2ИЛИ 21, второй M-й одновибратор 22, четвертый 2М-й элемент 2ИЛИ 23, первый RS-триггер 24 первой пары RS-триг- геров, второй RS-триггер 25 первой пары RS-триггеров, пятый (2М+1)-й элемент2ИЛ И

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника электропитания аппаратуры различного назначения.

Целью изобретения является унифика- ция.

На фиг. 1 приведена схема многофазного резонансного стабилизатора; на фиг.2 - эпюры напряжений, для упрощения иллюстрации приведены для конкретного случая М 2.

Стабилизатор содержит источник опорного напряжения 1, узел сравнения 2, преобразователь напряжения в частоту 3, коммутационную панель 4, первый 5 и вто- рой 7 D-триггеры, первый 6 и второй 8 диоды, первый 9 и второй 10 счетные триггеры, резистор 11, первый 12 и второй 15 формирователи строб-импульсов, 13 - первая схема 2 И, 14 - третья (М+1)-я схема 2 И, 16 - вторая схема 2 И, 17-четвертая 2М-я схема 2И, 18 - первая схема 2 ИЛИ, 19 - первый одновибратор, 20 - третья (М+1)-я схема 2 ИЛИ, 21 - вторая M-я схема 2 ИЛИ, 22- второй M-й одновибратор, 23 - четвертая 2М-я схема 2 ИЛИ, 24 - первый RS-триггер первой пары RS-триггеров, 25 - второй RS- триггер первой пары RS-триггеров, 26 - пятая (2М+1)-я схема 2 ИЛИ, 27 - первый RS-триггер второй (M-й) пары RS-триггеров, 28 - второй RS-триггер второй M-й пары RS-триггеров, 29 - шестая ЗМ-я схема 2 ИЛИ, 30 - первый и 31 - второй M-й пороговые элементы с парафазными выходами,32 - первый и 33 - второй M-й силовой каналы в виде двухтактных резонансных инверторов.

На схеме не показан блок формирования сигнала пассивного уровня. Его реали- зация зависит от конкретного типа применяемых микросхем. Например, для серии К155 это резистор 1КОМ, соединенный с плюсовой шиной питания одним выводом и с микросхемами другим.

26, первый RS-триггер 27, второй (M-й) пары RS-триггеров, второй RS-триггер 28, второй M-й пары RS-триггеров, шестой ЗМ-й элемент 2ИЛИ 29, первый 30 и второй М-й 31 пороговые элементы с парафазными выходами, первый 32 и второй М-й 33 силовой каналы в виде двухтактных резонансных инверторов. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Источник опорного напряжения 1 подключен к одному из входов узла сравнения 2, к другому входу которого подходит сигнал с датчика напряжения на нагрузке (на схеме не показан). Выход узла сравнения 2 соединен с входом преобразователя напряжения в частоту 3, выход которого соединен с 1-й клеммой коммутационной панели 4, через внешнюю перемычку с 2-й клеммой коммутационной панели 4 и затем с входом синхронизации D-триггеров 5 и 7 (внешние перемычки указаны штрихами), S-вход первого D-триггера 5 соединен с третьей клеммой коммутационной панели 4 и внешней перемычкой с шестой клеммой той же панели. D-вход первого D-триггера 5 соединен с четвертой клеммой коммутационной панели 4 и внешней перемычкой с нулевой шиной. На остальные R и S входы D-триггеров 5 и 7 подан сигнал пассивногоуровня, для микросхем типа 564, 561 эти входы соединены с общей шиной, как на фиг.1 Прямой выход 1-го D-триггера 5 соединен с D-входом 2-го D-триггера 7, тактовым входом первого счетного триггера 9 и входом первого формирователя строб-импульсов 12. Прямой выход второго D-триггера М-го 7 соединен с пятой клеммой коммутационной панели 4, тактовым входом 2-го M-го счетного триггера 10 и входом второго M-го формирователя строб-импульсов 15. Инверсный выход первого D-триггера 5 соединен с катодом 1-го диода 6. Инверсный выход второго M-го D- триггера 7 соединен с катодом второго М-го диода 8. Аноды всех М диодов соединены с резистором 11 и шестой клеммой коммутационной панели 4. Другой конец резистора 11 соединен с плюсовой шиной. Выход первого формирователя строб-импульсов 12 . подключен к первым входам 1-й 13 и 3-й (М+1)-й 14 схем 2И. Выход второго М-го формирователя строб-импульсов 15 подключен к первым входам второй 16 и (М+2)-й четвертой 17 схем 2 И. Вторые входы первой 13, второй 16 M-й схем 2 И подключены к

прямым выходам соответственно первого 9 и второго 10 M-го счетного триггера. Вторые входы третьей 14 (М+1)-й, четвертой 172М-Й схем 2 И подключены к инверсным выходам соответственно первого 9, второго 10 М-го счетного триггера. Выход первой схемы 2 ИЛИ 18 и входы S первого RS-триггера 24 первой пары RS-триггеров соединены. Выход второй схемы 2 И 16 M-й соединен с первым входом второй M-й схемы 2 ИЛИ 21 и входом S первого RS-триггера 27 второй M-й пары RS-триггеров. Выход третьей (М+1)-й схемы 2 И 14 соединен с вторым входом первой схемы 2 ИЛИ 18 и входом S второго RS-триггера 25 первой пары RS- триггеров. Выход четвертой 2 M-й схемы 2 И 17 соединен с вторым входом второй М-й схемы 2 ИЛИ 21 и входом S второго RS-триггера 28 второй M-й пары RS-триггеров. Выходы RS-триггеров 24, 25 подключены к управляющим входам первого силового канала 32. Выходы RS-триггеров 27, 28 подключены к управляющим входам второго M-го силового канала 33. Входы первого 30, второго М-го 31 пороговых элементов подключены к выходам трансформаторов тока соответствующих силовых каналов 32, 33. На фиг. 1 трансформаторы тока не показаны отдельно от силовых каналов 32. 33. Выход первой схемы 2 ИЛИ 18 соединен с входом первого одновибратора 19. Выход второй M-й схемы 2 ИЛИ 21 соединен с входом второго M-го одновибратора 22. Выходы первого 19, второго 22,... M-го одновибратора соединены с первыми входами третьей (М+1)-й и пятой (2М+1)-й 26, четвертой 2М-й 23 и шестой ЗМ-й 29 схем 2 ИЛИ соответственно. Вторые входы третьей (М-Н)-й 20, четвертой 2М-й 23 схемы 2 ИЛИ соединены с первыми выходами первого 30, второго M-го порогового элемента соответственно. Выходы третьей (М+й)-й 20, четвертой 2М-й 23 схем 2 ИЛИ подключены к R входам первых RS-триггеров 24 и 27 первой и второй пар RS-триггеров соответственно. Вторые входы пятой (2М+й)-й 26, шестой ЗМ-й 29 схем 2 ИЛИ соединены с вторыми выходами первого 30, второго М-го 31 пороговых элементов соответственно. Выходы пятой ( 26, шестой ЗМ-й 29 схем 2 ИЛИ подключены к R входам вторых RS-триггеров соответственно первой 25, второй М-й 28 пары RS-триггеров.

Эпюры напряжений фиг.2 показаны на:

а) выходе преобразователя в частоту 3;

б) прямом выходе первого D-триггера 5;

в) прямом выходе второго М-го D-триггера 7;

г) входе S первого D-триггера 5;

д) прямом выходе первого счетного триггера 9;

е) прямом выходе второго M-го счетного триггера 10;

ж) выходе первого формирователя строб-импульсов 12;

з) выходе второго M-го формирователя строб-импульсов 15;

и) выходе первого одновибратора 19;

0 к) выходе второго M-го одновибратора 22;

л) первом выходе первого порогового элемента 30;

м) первом выходе второго M-го порого5 вого элемента 31;

н) выходе первого RS-триггера первой пары 24;

о) выходе второго RS-триггера первой пары 25;

0 п) выходе первого RS-триггера второй пары 27;

р) выходе второго RS-триггера второй пары 28;

с) ток в первом силовом канале 32;

5 т) ток во втором M-м силовом канале 33. Многофазный резонансный стабилизатор напряжения работает следующим образом.

Преобразователь напряжения в частоту

0 3 генерирует импульсы (см.фиг.2,а), поступающие на тактовые входы D-триггеров 7 через коммутационную панель 4, D-тригге- ры образуют кольцевой сдвигающий регистр. На каждый импульс на тактовом

5 входе производится запись информации с D-входа в триггер, т.е. ее сдвиг вправо. D вход первого D-триггера 5 соединен через коммутационную панель 4 с нулевой шиной, т.е. в первый триггер 5 по тактовому импуль0 су (фиг.2,а) с входа D записывается уровень О. Диоды 6, 8 и резистор 11 образуют диодную схему И, на установочный вход S первого D-триггера 5 с диодной схемы И поступит установочный уровень 1 только

5 тогда, когда на всех прямых выходах D-триггеров будут уровни О (см.фиг.2,г). В момент времени to импульс с преобразователя напряжения в частоту (фиг.2,а) устанавливает в О в D-триггер последнего M-го разря0 да 7 (фиг.2,в). До прихода строб-импульса на входе диодной схемы И был уровень О (фиг.2,г). Строб-импульс в момент to устанавливает первый D-триггер в О (фиг.2,б). Теперь на всех инверсных выходах D-триг5 геров уровни 1, на выходе диодной схемы И появляется уровень 1 (фиг.2,г), который по входу уста на вливает в 1 первый D-триггер 5 (фиг.2,6). После установки первого D- триггера 5 в 1 на выходе диодной схемы И появляется уровень О (фиг.2,г). Далее процесс повторяется, как показано на фиг.2,а,б,в,г, формирователи строб-импульсов 12, 15 формируют короткие строб-импульсы (фиг.2,ж,з) по фронтам 0/1 сигналов с выходов D-триггеров. Эти строб-импульсы через схемы 2 ИЛ И 18 и 2 ИЛИ 21 запускают одновибраторы 19 и 22 соответственно. После запуска одновибратор выдает импульсы с уровнем О (см.фиг.2,н,к), его длительность Тмакс ограничивает время пребывания в открытом состоянии силового ключа в резонансном инверторе 32,33. Строб-импульс с выхода формирователя 12 (фиг.2,ж) в момент времени t0 через схему 2 И 13 поступает на вход S первого RS-триггера 24 первой пары и устанавливает его в 1 (фиг.2,н). На входе R этого триггера в это время был уровень О, так как на один вход схемы 2 ИЛИ 20 поступал уровень О от первого одновиб- ратора 19 (фиг.2,н), на другой - уровень О с первого выхода первого порогового элемента 30 (фиг.2,л). В этом момент времени второй RS-триггер 25 установлен в О сигналом 1 с второго выхода порогового элемента 30 через схему 2 ИЛИ 26. В момент т0 отпирается ключ в резонансном инверторе 32 , в нагрузку начинает протекать ток (фиг.2,с). Конкретная реализация силового канала здесь не имеет существенного значения, подобные схемы приведены, например, в книге Источники вторичного электропитания. С.С.Букреев, В.А.Голо- вацкий. М.: Радио и связь, 1983. В резонансном инверторе ток изменяется по кривой, близкой к синусоиде (фиг.2,с), и в момент времени t2 становится равным нулю. В результате этого на первом выходе порогового элемента 30 появляется уровень 1 (фиг.2,л), который через схему 2 ИЛИ 20 устанавливает в О RS-триггер 24 (фиг.2,н). Одновременно на втором выходе порогового элемента 30 появится уровень О(выходы парафазные). Одна половина двухтактного резонансного инвертора 32 отработала. В момент времени ti строб-импульс с выхода второго формирователя строб-импульсов 15 через схему 2 И 16 поступает на S вход первого RS-триггера 27 второй пары RS-триггеров и устанавливает его в 1 (фиг.2,п). На входе этого триггера в это время был уровень О, так как на один вход схемы 2 ИЛИ 23 поступал уровень О от второго одновибратора 22 (фиг.2,к), на другой - уровень О с первого выхода второго порогового элемента 31 (фиг.2,м). В этот момент второй RS-триггер 28 пары установлен в О сигналом 1 с второго выхода второго порогового элемента 31 через схему 2 ИЛИ 29. В момент ti отпирается ключ в резонансном инверторе 33, в нагрузку с него протекает ток (фиг,2,т). В момент времени ta ток во втором инверторе становится равным нулю (фиг.2,г). В результате этого на первом выходе порогового элемента 31 появляется уровень 1 (фиг.2,м), каждый через схему 2 ИЛИ 23 устанавливает в О RS-триггер 27 (фиг.2,п). Одновременно на втором выходе порогового элемента 31 появляется уровень О. Очередной импульс

0 с преобразователя напряжения в частоту 3 в момент времени t4 (фиг.2,а) устанавливает в 1 0-триггер5(фиг.2,б). Фронт 0/1 сигнала с выхода D-триггера 5 меняет состояние счетного триггера 9 (фиг.2,б,д). Строб-им5 пульс с выхода формирователя 12 (фиг.2,ж) пройдет через схему 2 ИЛИ на S вход второго RS-триггера первой пары RS-триггеров 25 и установит его в 1 (фиг.2,о). На входе R этого триггера в это время был уровень О,

0 так как на один вход схемы 2 ИЛИ 26 поступал уровень О от одновибратора 19 (фиг.2,и), на другой - уровень О с второго выхода порогового элемента 30 (на фиг.2,л показан инверсный к нему сигнал с первого

5 выхода). Первый RS-триггер пары 24 установлен при этом в О сигналом с первого выхода порогового элемента 31 (фиг.2,л,п). В момент 14 отпирается второй ключ в резонансном инверторе 32 (фиг.2,с). В нагрузку

0 протекает ток, прекращающийся в момент времени ts (фиг,2,с).

В результате этого на первом выходе порогового элемента 30 появляется уровень О (фиг.2,л), второй RS-триггер первой пары

5 RS-триггеров 25 устанавливается в О (фиг.2,о) и блокируется сигналом с второго выхода порогового элемента 31. Первый RS- триггер пары 24 готов к работе, процессы повторяются циклически (фиг.2, л+т).

0 В момент времени te строб-импульс формирователя 12 через схему 2 И 13 устанавливает в 1 RS-триггер 24 (фиг.2,ж,н). Включается резонансный инвертор 32 (фиг.2,с). Пусть по какой-то причине ток в

5 инверторе затягивается (фиг.2,с). Но к моменту времени t заканчивается импульс, вырабатываемый одновибратором 19 (фиг.2,и). Когда этот импульс закончится, уровень 1 с выхода одновибратора через

0 схему 2 ИЛИ 20 установит в О RS-триггер 24 (фиг.2,п), выключится инвертор32, принудительно прекратится ток в силовом канале 32 (фиг.2,с), сработает пороговый элемент 30, (фиг.2,л). Таким образом, ограничивает5 ся длительность пребывания в открытом состоянии силовых ключей в инверторах 32, 33.

Распределитель импульсов, реализованный на кольцевом регистре из Ь-тригге- ров 5, 7 и счетных триггеров 9, 10,

обеспечивает равномерную во времени работу силовых каналов (фиг.2,с,т). Энергия отдаваемая в нагрузку, регулируется частотой выходного сигнала преобразователя напряжения в частоту 3. За счет отрицательной обратной связи частота сигнала на выходе преобразователя 3 устанавливается такой, чтобы разность между сигналом, пропорциональным напряжению нагрузки и установкой с источника опорного напряжения 1, получаемая в узле сравнения 2, стремилась к нулю. Предложенный многофазный резонансный стабилизатор является унифицированным, допускается совместная работа N таких стабилизаторов. Для этого надо сделать соответствующие соединения на коммутационной панели. Следует:

соединить первую клемму на коммутационной панели и первого стабилизатора с второй клеммой на его собственной панели и вторыми клеммами остальных стабилизаторов;

первые клеммы на коммутационных панелях остальных стабилизаторов никуда не подключать;

соединить шестые клеммы на всех панелях с третьей клеммой на панели первого стабилизатора;

на остальных панелях третьи клеммы соединить с нулевой шиной;

клемму четыре первой панели соединить с нулевой шиной;

клемму 5 первой панели соединить с клеммой 4 второй панели, клемму 5 второй панели - с клеммой 4 третьей панели, клемму 5 (М-1)-й панели с клеммой 4 N-й панели.

В результате M-N, D-триггеров образуют М N-разрядный кольцевой сдвигающий регистр, тактируемый от преобразователя напряжения в частоту первого стабилизатора. Автоматическая запись 1 в младший разряд регистра обеспечивается диодной схемой И с М -N входами. Силовых М -N каналов работает с равномерным сдвигом во времени, как в одном М -N-фазном стабилизаторе.

Преимуществом изобретения по сравнению с прототипом является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности строить системы электропитания различной мощности из нужного числа одинаковых унифицированных модулей.

По изобретению и по прототипу были изготовлены макеты многофазных резонансных стабилизаторов, их испытания подтвердили эффективность изобретения. При макетировании за базовый модуль был взят

резонансный стабилизатор с одним двухтактным силовым каналом (двумя однотакт- ными). Элементная база в системе управления - микросхема 564.

Формула изобретения

5 сравнения, источника опорного напряжения, преобразователя напряжения в частоту, М пар RS-триггеров, М пороговых элементов с парафазными выходами, преобразующих знак полярности тока в двух0 тактных резонансных инверторах в логический уровень ЗМ элементов 2ИЛИ, М одновибраторов, при этом узел сравнения одним из входов подключен к источнику опорного напряжения, другим - к выходным

5 выводам, а выходом подключен к входу преобразователя напряжения в частоту, входы пороговых элементов подключены к выходам трансформаторов тока соответствующих силовых каналов, выходы RS-триггеров

0 соединены соответственно с управляющими входами силовых каналов, выходы первого, второго,..., M-го элементов 2ИЛИ соединены с входами первого, второго,..., M-го одновибраторов соответственно, выхо5 ды первого, второго,..., M-го одновибраторов соединены с первыми входами (М+1)-го и (2М+1)-го, (М+2)-го и (2М+2)-го,...,2М-го и ЗМ-го элементов 2ИЛ И соответственно, вторые входы (М+1)-го, (М+2)-го,...,2М-го эле0 ментов 2ИЛИ соединены с первыми выходами первого, второго,..., M-го пороговых элементов соответственно, выходы (М+1)-го, (М+2)-го,..., 2М-го элементов 2ИЛИ подключены кК-входам первых триггеров соответствен5 но первой, второй,..,, M-й пар RS-триггеров, вторые входы (2М+1)-го, (2М+2)-го,..., ЗМ-го элементов 2ИЛИ соединены с вторыми выходами первого, второго,..., M-го пороговых элементов соответственно, выходы (2М+1)0 го, (2М+2)-го,..., ЗМ-го элементов 2ИЛИ подключены к R-входам вторых триггеров соответственно первой, второй,..., M-й пар RS-триггеров, отличающийся тем, что, с целью унификации, в блокуправления вве5 дены М D-триггеров, М счетных триггеров, М диодов, М формирователей строб-импульсов, 2М элементов 2И, коммутационная панель, при этом выход преобразователя напряжения в частоту соединен с первой клеммой коммутационной панели, тактовые

входы всех М D-триггеров соединены с второй клеммой коммутационной панели, S- вход первого D-триггера соединен с третьей клеммой коммутационной панели, D-вход первого D-триггера соединен с четвертой клеммой коммутационной панели, остальные R- и S-входы М D-триггеров соединены с введенным выводом для подключения блока формирования сигнала пассивного уровня, прямой выход первого D-триггера соединен с D-входом второго D-триггера, тактовым входом первого счетного триггера и входом первого формирователя строб-импульсов, прямой выход второго D- триггера соединен с D-входом третьего D- триггера, тактовым входом второго счетного триггера и входом второго формирователя строб-импульсов, прямой выход (M-1)-ro D- триггера соединен с D-входом М-го D-триггера, тактовым входом (М-1)-го счетного триггера и входом (М-1)-го формирователя строб-импульсов, прямой выход M-ro D- триггера соединен с пятой клеммой коммутационной панели, тактовым входом М-го счетного триггера и входом M-го формиро- вателя строб-импульсов, инверсный выход первого D-триггера соединен с катодом первого диода, инверсный выход второго D- триггера соединен с катодом второго диода, инверсный выход М-го D-триггера соединен с катодом M-го диода, аноды всех М диодов соединены с первым выводом введенного резистора и шестой клеммой коммутационной панели, другой вывод резистора соединен с введенным выводом для подключения плюсовойшины источником питания, выход первого формирователя строб-импульсов подключен к первым входам первого и (М+1)-го элементов 2И, выход второго формирователя строб-импульсов подключен к первым входам второго и (М+2)-го элементов 2И, выход M-го формирователя строб- импульсов подключен к первым входам M-го и 2М-го элементов 2И, вторые входы первого, второго,..., M-го элементов 2И под- ключены к прямым выходам соответственно первого, второго,..., M-го счетных триггеров, вторые входы (М+1)-го, (М+2)-го,..., 2М-го элементов 2И подключены к инверсным выхо

дам соответственно первого, второго,..., М- го счетных триггеров, выход первого элемента 2И соединен с первым входом первого элемента 2ИЛИ и S-входом первого RS-триггера первой пары RS-триггеров, выход второго элемента 2И соединен с первым входом второго элемента 2ИЛИ и S-входом первого RS-триггера второй пары RS-триггеров, выход M-го элемента 2И соединен с первым входом M-го элемента 2ИЛИ и S- входом первого RS-триггера M-й пары RS- триггеров, выход (М+1)-го элемента 2И соединен с вторым входом первого элемента 2ИЛИ и S-входом второго RS-триггера первой пары RS-триггеров, выход (М+2)-го элемента 2И соединен с вторым входом второго элемента 2ИЛИ и S-входом второго RS-триггера второй пары RS-триггеров, выход 2М-го элемента 2И соединен с вторым входом M-го элемента 2ИЛИ и S-входом второго RS-триггера M-й пары RS-триггеров, причем стабилизатор выполнен в виде первого модуля, на коммутационной панели которого сделаны следующие соединения: первая клемма соединена с второй, третья - с шестой, а четвертая - с общей шиной.

2. Стабилизатор по п.1, от л ича ю щий- с я тем, что, с целью обеспечения возможности совместной работы N унифицированных модулей, в него введены N-1 модулей, выполненных аналогично первому модулю, причем на коммутационных панелях N-1 модулей вторые клеммы соединены с второй клеммой коммутационной панели первого модуля, третьи клеммы на коммутационных панелях (N-1) модулей соединены с общей шиной, пятая клемма коммутационной панели первого модуля соединена с четвертой клеммой коммутационной панели второго модуля, пятая клемма коммутационной панели второго модуля соединена с четвертой клеммой коммутационной панели третьего модуля, пятая клемма коммутационной панели (М-1)-го модуля соединена с четвертой клеммой коммутационной панели N-ro модуля, а шестые клеммы на коммутационных панелях (N-1) модулей соединены с третьей клеммой коммутационной панели первого модуля.