Способ электропитания постоянного напряжения Советский патент 1980 года по МПК G05F1/56 

дый РАЗ все больше приближаясь к задан™ ному эиаченшо настроек обоих уровней, что КПД, Кроме того, гальваническая развязка стабилизаячэра от источнгаса пер, вичного напряжения, как правило, обяагь- гел;ьна для стабилизатора пос1Х)янного нацряжен1-ш и обеспечивается в прототипе за счет трансформатора,или дросселей насыщения, обмотки управления которых га ьванически не связаны с остальными его обмотками. Но если первична5 сеть постоянного тока или сеть перемен- fjorio тока при отс5тствии трансформатора сетью и импульсцьгм стабилизато рой (беатрансформаторный стабилизатор),,- то осуществление гальванической развяз™ кп в ггрототипе невозмолшо. Цель изобретеншг - повьшшние КПД н надежности за счет повышения точности настроек уровней напряжений регулируто щего элемента непрерывного стабнлизато ра ny-TGM исключения их взаимозавнсиг-лос- ти и обеспечение галышиич.еской развязки между первичной сетью и выходом систе- мы электроггитання. Это достигае1ч;я тем, что в системе электропитания постоянного нагфяжент в измери1гельный элемент импульсного стабийкзатора введен диффере)щиальньгй 5си литель, к неинвертиругощему входу которого под1 :лючен выход первого рез.истивного делителя, включенного источником опорного напряжения и выходом усилите.гш датчика тока, аход которого через резист подключен к датчику тока, а к инвертирую глему аходу дисЬфере щиального усилителя через второй резистивный дэлитель подклю чен переход коллектор-эмиттер т панзистора регушфуюгдего элеменга непрерывного стабилизатора, причем общая точка рег-улирующего элемента, этого стабилиза1Х ра и датчика тока соединена с общим прово-дом измерителыюг о элемента импульсного стабилизатора, а цепи питания обоих усилителей этого э.шмента подк/почегшг к вве денному нсточнику двухполярного напряжения, 1фоме того, межд} измерительным и уггравляющйм элементами импульсного ста билизатора шсгаочен узел гальванической развязки, выполненный на базе оптронного диода, светодиод которого последовав тельно с резистором включен между выходом диффереЕЩиального усилителя измери- тельного элемента импульсного стабилизатора и выходом отрицательной полярности источника двухполя рного напряжения этого элемента, а фотодиод нодалючен ко входу управляющего злемекта импульсного стаб 1лизатора я одяовременно, через резистор к нсттянику питания этого элемента, а уси.1Н1ель сигнала датчюса тока вьшолнен в )де Масштабггого иеинвертирзтощего усилителя, На фиг, 1 представлена система с не- вьллелным КТ(Д и надежностью; на фиг. 2 система., обеспечивающая еще и гальваническую развязку, Система электропитания содерлшт импульсный стабилизатор 1, состоящий из последо,вательно включенных измеритель него 2, втравляющего 3 и силового 4 ментов. Ко входу СИЛОЕЮГО элемента 4 подключена первичная сеть, а его выход соединен со 1асодом непрерывного стабилизатора 5, Непрерывный стабилизатор 5 содер 1 ит последовательно вк.поч.енные 1зме рительный 6 и регулирующий 7 элемент1 т. Между выходом регулирующего элемента 7 и вь ходной клеммой включен датчик тока 8 измерительного элемента 2 импульсного стабилизатора 1. Вход измерительного элемента 2 непрерывного стабилизатора со . ештен с выходом системы по пепи обратной связи. Резистор 8 {датчик тока) через резистор 9 подключен ко входу усилителя датчика тока, выполненного в виде масштабного неинверт:-футащего усилителя 10.Его ин.аертирующий вход через резистор И подк.гпочен к общей точке измерительного эле- мсттта 2 и одновременно через неременный ре-злстор 12 - к выходу масштабного уси- , лител53 10. этого усигштеля соединен также с первым резнстивным делителем, в который входят резисторы 13, 14 и и IS, последний из которых соединен со с1-абилит(эоном 16, являюии.имся источником опорного напряжения для измерительного элемента 2. Резистор 14 служит потенциометром. Его ползунок подк/почен к неинвертнр} ощему iKOpy .ц1-1ф())ере1шиа.пьного усилителя 17, выполняющего роль схемы. сравнен-ия. Инвертирующий вход диф(|)ереН пиальпого усилителя 17 соединен со средней точкой (выходом) второго резистивного делителя, состоящего из резисторов 18 и 19. Этот делитель подк;лючен к переходу коллектор-эмиттер транзистора регулирующего элемента 7 непрерывного стабилизатора. S. Общая точка тра1таистора регулирующего элемента 7, резистора-датчика тока 8 и резистора 19 соещпшется с общими точками усилителей 10 и 17 и стабилитрона . 6 и таким образом является общим проводом (землей) измеритель ного элемента 2. Цепи питания усилителей lO и 17 подключены к источнику 20 двух полярного напряжения. Стабилитрон 16 через балластный резистор 21 также подключен к источнику питания 20. Нулевой вывод этого источника соединен с землей измерительного элемента 2. Система элек ропитания постоянного напряжения содержи также трансформатор 22 и вытфямитель 23, включенные между силовым элементом 4 импульсного стабилизатора 1 и входом непрерывного стабилизатора 5, узел 24 гальванической развязки по входу управляю щего элемента 3 импульсного стабилизатора. Узел 24 гальванической развязки состоит из оптронного диода 25, светодиод которого через резистор 26 подключен к выходу операцио1шого усилителя 17, а фотодиод этого оптрона через резистор 27 соединен с цепями питания упраьляювдего элемента 3. Фотодиод оптронного диода 25 подключен ко входу управляющего элемента 3. Ток нагрузки, проходя через резистордатчик- тока 8, создает на нем падение напряжения, которое через резистор 9 подается на вход масштабного усилителя 10 Резисторы 11 и 12 создают отрицательную обратную связь для усилителя 10, глубина которой определяет его коэффициент усиления. Если коэффициент усиления усилителя, не охваченного обратной связью, большой (в современных интегральных опе рационных усилителях он достигает порядка нескольких десятков тысяч), то величина и стабильность коэффициента усиления усилителя с -обратной связью определяется только величиной и стабильностью номиналов резисторов обратной связи, и поэтому его стабильность значительно выше стабильности коэффициента усиления усилителя измерительного элемента прототипа. Выходное напряжение масштабного усилителя 1 О, величина которого таким образом строго определяется величиной тока нагрузки (при заданном коэффициенте усиления), прикладывается к делителю, выполненному на резисторах 13, 14 и 15. Потенциал противоположной точки делителя фиксируется Стабилитроном 16. Если ток нагрузки отсутствует (режим хопостого хода), то напряжение на датчик равно нулю, а значит равно нулю и вькод ное напряжение масштабного усилителя. При этом напряжение на ползунке потенциометра 14 определяется только величиной напряжения стабилитрона 16 и отношением суммы величин резисторов 13, 14 И 15 К сумме величины резистора 13 и час-г-и резистора 14 от его общей точки с резистором 13 до ползунка. По мере возрастания тока нагрузки выходное напряжение масштабного усилителя, отрицательное по знаку, также увеличивается. Так как напряжение стабилитрона имеет положителыа 1й знак, то напряжение, на ползунке, а следовательно, и на входе схемы сравнения, выполненной на диффере диельном усилителе 17, уменьшается. Таким образом, любому значепию тока нагрузки соответствует определенное значение напряжения на кеинвертнрующем входе усилителя 17, величина офатно пропорциональна току нагрузки. На инвертирующий вход дифференциального усилителя 17 через делитель, состоящий из резисторов 18 и 19, поступает напряжение с регулирующего элемента (регулирующего транзистора) непрерывного стабилизатора. Напряжение обоих входов усилителя 17 сравнивается между собой, и на его выходе появляется усиленная им разность напряжений входов, знак которой (относительно общего провода) зависит от того, какое из Сравниваемых напряжений больше. Выхошюй сигнал из схемы сравнения подается на управляюший элемент 3, поcjiepMKfi управляет работой силового элемента 4, величина выходного напряжения которого определяет напряжение на регу- лирЗТощем элементе непрерывного стабилизатора. Если напряжение на регулирующем элементе увеличится по сравнению с напряжением на ползунке потенциометра 14, то уменьшится напряжение на выходе Схемы сравнения, а это приведет к уменьшению выходного напряжения импульсного стабилизатора, и наоборот в случае уменьшения напряжения на регулирующем элементе непрерывного стабилизатора ниже заданного уровня, выходное напряжение сравнения увеличится, а значит увеличится и выходное напряжение импульсного стабилизатора. В полученной таким образом системе автоматического регулирования выходное напряжение импульсного стабилизатора f eгулируется при условии, если напряжение на регулирующем элементе непрерывного стабилизатора выдерживается в строгой, заранее заданной зависимости от тока нагрузки при безусловном постоянстве выходного напряжения непрерывного стабилиатора (оно же выходное напряжение устройства), за Счет работы его измеритель ного 6 и регулирующего 7 элементов. В регулирующем элементе 7 при больших то ках нагрузки может работать не один, а Несколько транзисторов, и тогда (как в прототипе) в качестве датчика тока может использоваться один из симметрирующих р зисторов. Граничные значения регулирования напряжения на регулирующем элементе непрерывного стабилизатора в режиме хо лЬстого хода и при максимальной нагрузке задаются регулировкой переменного резиотЬра 12 и потенциометра соответственно 14 при HacTpotiKe стабилизатора. В предложенной системе электропитаЦия принципиально отсутствует недостаток njpoTOTHna, заключающийся во взаимозааисимости настроек фовней напряжений йа регулирующем элементе непрерывного, атабил -1затора, так как при настройке максимального напряжении регулирующего эле мента непрерывного стабилизатора в режиме холостого хода напряжение на выходе масщтабного усилитедш (к которому Подключена крайняя точка делителя на ре- Зисторах 13, 14 и IS, противоположная точка подключения к стабилитрону 16, стр ijo .равна.нулю независимо от величины пе ременного резистора 12, который определ . известно, коэффициент усиления (мао Л1таб) масштабного усилителя на его выводное напряжение, потому что произведе- йие нуля на любой коэффициент дает в ито ге иупь (в режиме холостого хода цапря-. жения на датчике тока, подключенном ко Входу масштабного усилителя, равно нулю) Поэтому в режиме холостого хода наст ройка максимального уровня определяется только потенциометром 14. После наст ройки максимального уровня возможна точ ная настройка минимального уровня с помощью резистора 12. Таким образом, в системе электропитания существует только зависимость настройки минимального уров ня от настройки максимального уровня, что позволяет производить точную настрой ку обоих уровней в определенной последовательности (сначала мшссимашшого уровня, а затем минимального), в то время как в прототипе обе настройки вза.имозависимы и поэтому их точная наст ройка вообще невозможна. В качестве источника 2 О двухполярного напряжения могут быть использованы два выпрямителя, подключенные к дополни тельной обмотке сетевого 1рансформатора при .наличии сети переменного тока и сете вого трансформатора). Можно использоват также дополнительную обмотку выходного трансформатора (тоже при его наличии) импульсного стабилизатора (стабилизированного преобразователя) или дополнитель ную обмотку дросселя фильтра импульсного стабилизагора. ЕСЛИ по условиям работы стабилизатор; , напряжения рассматриваемого типа должен работать от сети постоянного тока или переменного, но без применения сетевого транС()орматора, то кроме гальванической развязки между выходом импульсного стагбилизатора (преобразователя) и входом непрерывного стабилизатора, осуществляемой обычно посредством выходного трансформатора и выпрямителя, требуется еще и развязка между измерительным и упра&ляющим элементами импульсного стабилизатора (преобразователя), т.е. передача сигнала от измерительного на управляю- щий элемент происходит так, чтобы оба они оставались изолированными друг от друга. В изобретении это достигается (см. фиг. 2) за счет применения узла гальванической развязки 24, выполненного на базе оптронного диода 25. Так как светодиод оптронНого диода 25 пошсгаочен в направлении проводимости между выходом операционного усилителя 17 схемы сравнения и через резистор 26 с выводом источника 20 отрицательной полярности, то ток светодиода существует при любых соотношениях напряжений на входах операционного усилителя 17, из1у1е- няется только его величина. При изменении тока светодиода оптронного диода 25 изменяется и ток его фотодиода. Источником питания цепи фотодиода может быть з источник первичного питания (см. фиг. 2) или источник питания управляющегоэлемента импульсного стабилизатора, если он питается не непосредственно от сети nej вичного напряжения, а от других узлов импульсного стабилизатора. Изменение тока фотодиода опчронного диода 25 гфиводит к перераспределению напряжений между резистором 27 и фотодиодом, а значит к изменению напряжения на входе управляющего элемента 3, подключенного к фотодиоду. Так как фаза напряжения на фотодиоде не отличается от фазы напряжения на выходе схемы сра&нения, а HHepunoaiiocTb оптронного диода 25 совсем незначительна, то динамика работы стабилизатора в результате применения в нем оптронного диода 25 не И меняется. Уменьшение амплитуды пере- данного через оптронный диод 25 сигнала 742 из-за невысокого его коэффвдиента передачи яегко компенсируется усилением схемы сравнения и управляющего элемента. Предложенная система выгодно отличается от прототипа тем, что в ней обеспечена точная настройка обоих уровней напряжений регулирующего элемента непрерывного стабилизатора оа счет принципЕ ального исключения их взаимозависимости.. Это позволяет устанавливать на регулирующем элементе оптимальные уровни напряжений, что дает возможность повысить КПД стабилизатора благодаря тому, что удается избежать излишнего рассева мощности на

регулирующем элементе непрерывного инвертирующему входу дифференциального

билиэатора. При этом повышается и надежность стабилизатора вследствие уменьшения разогрева транзистора (транзисторов) регулирующего элемента. Следует указать также и на дополнительную полезность ста-20 щая билизатора, заключающуюся в уменьшении времени его настройки, что уменьшает про изводственные затраты при его изготовлении и повышает его технологичность. Кроме тогЪ, в нем просто решена задача галь ванической развязки между выходом и первичной сетью применительно к структуре стабилизатора, предложенной для достижения основной цели изобретения. Использование в нем интегральных микросхем (операционных усилителей) способствует повышению температурной стабильности его параметров, а также миниатюризации его узлов. Формула изобретения 1. Система электропитания постоянного напряжения, содержащая импульсный стабилизатор, состоящий из последовательно включенных измерительного элемента с датчиком тока, подключенным к нему усилителем сигнала датчика тока с резиотивными делителями напряжения и источником опорного напряжения, управляющего и силового элементов, и непрерывный стабилизатор, вход которого соединен с выходом импульсного стабилизатора, состоящий из последовательно включенных измеритель ного элемента, вход которого соединен с выходом системы электропитания постоянного напряжения, и регулирующего элемента, к которому подключен измерительный элемент импульсного стабилизатора, при-, чем датчик тока этого элемента включен между регулирующим элементом непреры&. ного стабилизатора и выходом системы электропитания постоянного напряжения, а один из крайних выводов резистивного дели теля напряжения подключен ко входу регулирующего элемента непрерывного ста

него делителя, включенного между источником опорного напряжения и выходом усилителя датчика тока, вход которого через резистор подключен к датчику тока, а к

усилителя через второй резистивный делитель подключен переход коллектор-эмиттер транзистора регулирующего элемента непрерывного стабилизатора, причем о 1 lO билизатора, отличающаяся тем, что, с целью повышения и надежности за счет повышения точности настроек уровней напряжений регулирующ го элемента непрерышсого стабилизатора путем исключения их взаимозависимости. в измерительный элемент импульсного стабилизатора введен дифференциальный усилитель, к неинвертирующему входу которого подключен выход первого резистивточка регулирующего элемента этого стабилизатора н датчика тока соединена с общим проводом измерительного элемента импульсного стабилизатора, а цепи питания обоих усилителей этого элемента подключены к введенному источнику двухполярного напряжения. 2.Система электропитания постоянного напряжения по п. 1, отличающаяс я тем, что , с целые обеспечения гальгванической развязки между первичной с&тью и выходом системы, между измерительным и управляющим элементами импульсного стабилизатора включен узел гальванической развязки, выполненный на базе сптронного диода, светодиод которого /loследовательно с резистором включен между выходом диффере1П1иального усилителя измерительного элемента импульсного стабилизатора и выходом отрицательной полярности источника двухполярного напряжения этого элемента, а фотодиод подключен ко входу управляющего элемента импульсного стабилизатора и одновременно, через резистор к источнику питания это- го элемента. 3.Система электропитания по п. i, отличающаяся тем, что уси литель сигнала датчика тоаа выполнен в виде масштабного неиивертирующего усилителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Домеников В. И. и Казанский Л. М. Стабилизированные источники электропитания судовой радиоэлектронной аппаратуры. 2,Гейман Г. В. и Есин В. А. Расчет магнитоэлектронных стабилизаторов напря1жения..М., Энергия, 1971, с. 6. рис.2.

а е