Тиристорный стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1980 года по МПК G05F1/56 

I. / . . Изобретение относится к радиоэлектро технике и предназначено для питания стабилизированным напряжением кли током электронных, электроизмерительных и рагдиотьхнических установок различного назначения и, в частности, может быть использовано в приборах и устройствах для научных исследований, Известны тиристорные стабилизаторы постоянного напряжения (СПН) с использованием в схемах фазоимгульсного управления генераторов;пилообразного напря жения на RG-цепочках i . В указанных устройствах при изменениях напряжения сети и тока нагрузки управление регулирующим элементом осуществляется посредством одной и той «е схемы управления с одним или двумя входами. Вследствие этого не удается обеспечить приемпемую стабильность (менее 1%) при одновременном изменении напряжения сети и тока нагрузки. Кроме того, не обеспечивается вьтолненйе таких важных требований, как наличие мягкого

,.iu.,ij«e-4aJib(.jji5(-llSi4 K i-;;i включения в работу (без бросков тока и перенапряжений) при использованив в выпрямителе емкостного фильтра, обеспечение помехозащищенности от реально присутствующих импульсных сетевых помех, наличие эффективной защиты устройства от перегрузок по току, коротких зе мьцсаний и перенапряжений на выходе устройств. Наиболее близким к изобретению является тиристорный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий тиристорный регулирующий элемент в цепи переменного напряжения силового трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен выпрямитель, соединенный с выходными выводами, фазоимпульсную схему управления на йднопераходном транзисторе с RO-цепью, вход которой соединен с вьшодамй ддя подключения питающего напряжения 2 . Недостатком этого устройства являют ся недостаточно высокие величины коэффициента стабилизации и КПД, так как фазокмпульсная схема управления, в которой линейность участка (зоны) управл кия обеспечивается выбором постоянной времени цепи одного зарядного конденсато ра, имеет ограниченньге чувствительность и пределы управления для стабилизации по всем дестабилизирующим фaIiтopaм, включая изменения напряжения сети и тока нагрузки. Степень помехозащищенности неудовлетворительна так как при воздействии импульсных сетевых помех значительной величины происходят ложные срабатьшания формирователя импульсов на однопере ходном транзисторе и на тиристорный регулирующий элемент поступают сигналы ощибки. Кроме того, в таком устройстве не предусмотрены элементы и -узлы, обеспечивающие устройству возможность мяг включения при работе на выпрямикогос емкостным фильтром. Недостаточт ель ная эффективность работы устройства токового ограничения (защиты от перегрузок по току и коротких замыканий) обусловлена явлением насыщения токового трансформатора, являющегося датчиком сигнала токовой нагрузки. Цель изобретения - Повьш1ение коэффициента стабилизации, КПД и помахозащищенности от внешни.х помах и перенапря.жений. Поставленная цель достигается тем, что тиристорный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий тиристорный ре гулирующий элемент в цепи переменного напряжения силового трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен выпрям11 гель, соединенный с выходными выводами, фазоимпупьс11ую схему управления на однопереходном транзисторе с RCцепью, вход которой соединен с вьшодами для подключения питающего напряжения, снабжен ждущим многовходовым мультивибратором, noporoBbiM ключевым узлом, реанстивным датчиком тока и делителем напряжения, причем первый - запускающий вход мультивибратора соединен с выходом фазримпульсной схемы управления, второй управляющий вход соединен через резистивный делитель с выходом выпрямителя, третий - запирающий вход соединен через пороговый ключевой узел с резиьтивным датчиком тока в выходной цепи выпрямителя, а выход мультивибратора подключен к управлйкнаему вэюду тирисЮрного регулятора который вьтопнея на оптронвых тиристорах. Кроме тюго, введен четвертый - вспомогательный управляющий аход мультивибра тора, который соединен через пороговый интегратор с вькрдом выпрямителя, и пя тый - вспомогательный управляющий аход мультивибратора, который соединен через диод с выходом сглаживающего фильтра. На чертеже изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого уст ройства. Входные контакты 1 сетевого напряжения подключены к тиристорному регулирующему элементу 2, выполненному на оптронных тиристорах 3, который связан через силовой трансформатор 4 с выпрямителем 5 и резистивным датчиком 6 тока, а также с емкостным сглаживающим фильтром 7 и 11езистивным делителем 8 напряжения на выходе тиристорного стабилизатора напряжения. Вход фазоимпульсной схемы (ФСУ) 9 на однопераходном транзисторе 10 связан с входными контактами 1, а выход ФСУ 9 соединен через первый - запускающий аход 11 с управляемым ждущим мультивибратором (УЖМ) 12. Второй - управля-. ющий вход 13 УЖМ 12 соеданен с резистнвным делителем 8. Третий - запирающий вход 14УЖМ 12 соединен через пороговую ключевую схему 15 с резистивным датчиком 6 тока. Четвертый - вспомогательный вход 16 УЖМ 12 связан через пороговый емкостный интегратор 17 с выпрямителем 5. Пятый - вспомогательный вход 18 12 соединен через диод 19 со сглаживающим фильтром 7, выход 20 УЖМ 12 связан через оптронньш пары 21 и 22 с оптронными тиристорами 23. Устройство работает следующим обр&зом. При подключении тиристорного СПН к контактам 1сетевр1Ч5 напряжения тиристорный регулирующий элемент 2 закрыт и напряжение Hfi сийовой трансформатор 4, вьшрямитель 5 и фильтр 7 не поступает. При этом ФСУ 9 начинает вьфабатывать синхронно с удвоенной частотой сетевого напряжения импульсы для запуска по входу 11 УЖМ 12 При отсутствии .напряжения на фильтре 7 и выпрямителе 5 УЖМ , 12 начинает вырабатывать импульсы максимальной длительности, близкой к поло - вине периода сетевого напряжения 1, так как управляющие напряжения на выходах 13, 14, 16 и 18 УЖМ 12 отсутствуют и диод 19 открыт. Задним фронтом импульса 6 выхода 2О УЖМ 12 включают ся оптронные пары 22 и 21 тирнсторногчэ регулирующего элемента 2 и оптрон- ные тиристоры 3 и 23 в зависимостн от полярности сетевс«го напряження 1. При

.5 , ., 7483826

этом импульсы сетевого напряжения.ходит первоначальное мягкое подключепри угле открытия - 170° опт-ние 12 и тиристорного СПН, ровных тиристоров. 3 и 23 поступают вПри коротком замыкании на выходе первичную обмотку трансформатора 4. тиристорного СПН или значительных пэЧапряжение со вторичной обмотки трансфор-5 рвгрузках напряжение на емкостном viBTopa 4 через выпрямитель 5 начинаетфильтре падает и диод 19 открьшается, заряжать конденсатор фильтра 7 и конден-при этом УЖМ 12 вырабатывает импульсатор порогового интегратора 17, постоян-сы по длительности, близкой максимальные времени которых выбраны так, что доной,, и соответственно оптронные тирисопредвпенного порога конденсатор порого- о торы 3 и 23 открьшаются и пропускают вого интегратора 17 заряжается быстреелишь незначительную часть сетевого наконденсатора фильтра 7. Нарастающее Hait-пряжения 1. В этом случае происходит ряжение порогового интегратора 17 посту-автоматический переход из режима стабипает на вход 16 УЖМ 12 и уменьшаетли.зации напряжения в режим стабилизадлительнрсть импульсов, вырабатываемых is ции тока. При снятии короткого 3a tbiKa- УЖМ 12, что приводит R уменьшению уг-ния или значительных.,перегрузок на выла открытия оптронных тиристоров 3 и 23, .ходе тиристорного СПН напряжение на При этом на. трансформатор. 4 поступаетемкостном фильтре 7 возрастает и закрыбольшая величина сетевого напряжения .1вает диод 19 и соответственно восстаи, следовательно, через выпрямитель 5 20навливается режим стабилизации напряеще больше В:ОЗрастает напряжение на.кон-жения,

денсаторе порогового интегратора 17, иПовышение коэффициента стабилизаши соответственно уменьшается длительностьв предлагаемом устройстве обеспечивается импульсов УЖМ 12 и т.д. При этом .осу-путем разделения функций управления оптществляется мягкое подключение тирис- 25ронными тиристорами по изменениям напторного СПН к сетевому напряжению и иск-ряжения сетии тока нагрузки. Для стабилючаются броски тока и напряжения при .лизадни напряжения при изменении сетеработе на выпрямитель с емкостным фильт-вого напряжения исполь зуется ФСУ на одром. :нопераходном транзисторе 10, и myльcoм

По мере накопления заряда на конден- запуск УЖМ 12 производится синсаторе фильтра 7 напряжение, снимаемоехронно с удвоенной частотой сетевого с делителя 8, превышает величину поре-напряжения, а момент запуска зависит гового напряжения в интеграторе 17 и, изменения величины сетевого напряжевоздействуя через вход 13 на УЖМ 12, превалирует над воздействием по входу .16, При этом диод 19 закрьшается и устанавливается режим стабилизации тиристорного СПН, так как изменение напряжения на выходе ем1адстного фильтра 7, на- та2 -пример, при изменении тока нагрузки уп-Предлагаемое раздельное управление равлнет длительностью импульсов УЖМ 12. ф торами повышает более, чем в два соответственно отрабатывается угол открь -р. суммарный коэффвдиент стабилизации тия оптроннбгх тиристоров 3 и 23, Вслед- одновременно повьш1ает КПД тиристо1. ствие достаточно большой постоянной вр 5ного СПЧ на 5-7% з счет более оптименй емкостного фильтра осуществляетсямапьного регулирования. стабилизация по среднему значению напряжения, . - . Использование УЖМ 12, запускаемого

В случае перенапряжений на выпрями-от ФСУ 9, позволяет повысить помехозателе 5 напряжение, образуемое на датчи- 50щишенность тиристорного СПН от внешних

ке 6 тока, включает ключевую пороговуюпомех, так как длительность импульса

схему 15, которая выключает по входуУЖМ 12 близка по величине к половине

14 УЖМ 12, который перестает выраба-периода сетевого напряжения, а УЖМ синн

тывать импульсы, и, тем самым, закрь -хронизируется с удвоенной частотой сети,

ваются оптронные тиристоры 3 и 23 и jjПоэтому период воздействия помех сокра

напряжение не поступает на трансформаторщается в 3-5 раз, что повышает поме.хо4 и выпрямитель 5. После снятия пере-защищенность тиристорного СПН, так как

напряжений на выпрямителе 5 пороговаяколичество срабатываний 12 и соотключевая схема 15 отключается и проис-ветственно тиристоров 2 уменьшается.

.30которого запускается УЖМ 12. Таким обПри изменении тока нагрузки меняется .длительность импульсов УЖМ 12, от заднего фронта которого производится включение тиристорного регулирующего эЛемен77Использование многонходового УЖМ 12 позволяет осуществить защиту тиристорног СПН от перенапряжений путем выключения УЖМ пороговой ключевой схемой 15, В предлагаемом тиристорном СПН расширены фушщиональные возмо :ности по сравнению с известным путем подачи уп- равляюшах воздействий РГ различные входы УЖМ. При этом первь.й - запускающий аход осуществляет связь с УЖМ 12 по Переменному току, второй - управляющий аход - по постоянному току, третий - запирающий аход - токоограничивающий, чет вертый - вспомогательньй управляющий аход - времязадерживающий и пятый вспомогательньй управляющий вход обеспе чивает устойчивость, работы УЖМ 12 при автоматическом пераходе из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации Тока и эффективность работы устройства защиты. Введение многоаходового УЖМ практически не увеличивает габариты устройства, так как УЖМ может быть выполйен в микроэлектронном исполнении. i.. Использование многовходоврго УЖМ позволяет обеспечить мягкое подключение к сети при работе СПН на емкостный фильтр путем плавногю изменения длитеяьносТи импульса УЖМ, которая зависит от напряжения, снимаемого через пороговый интегратор 17 с выхода выпрямителя 5. При мягком подключении к сети исключаются броски тока и перегрузки в СПН, Так как угол включения тиристоров 2 изменяется автоматически по мере нарастания выходного напряжения. Наличие многовходового УЖМ 12 достаточно просто обеспечивает автоматический переход СПН из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации , тока при наличии перегрузок и коротких замыканий на выходе сглаживающего филь тра 7. Ц этом случае поддерживается устойчивая работа УЖМ 12 при открывании диода 19. При этом УЖМ 12 вырабатывает импульс максимальной длительности, что обеспечивает включение оптронных TvipHCTOpOB на минимальное время для поддержания тока короткого замыкания на выходе СПН. Таким образом, в предлагаемом тирис торном СПН по сравнению с известным до стигаются следующие преимущества и полржит.альный технико-экономический эффект: повышение коэффициента стабилизации К -г в 2-3 раза и КПД на 5-7% путем разделения функции стабилизации по 82 изменению сети и тока нагрузки за счет использования в цепи управления тирноторного регулирующего элемента ФСУ, которая отрабатьюает изменения сети изменением начала запуска УЖМ, и многоаходового УЖМ, длительность импульса которого зависит от изменения тока наг рузки, вследствие этого отпадает необ- . .Ходимость в применении в ряде случаев дополнительных транзисторных линейных стабилизаторов, тем самым упрощается и удещевляется схема СПН в целом, получаемое дополнительно повышение КПД прзволяет сократить расход электроэнергии, что особенно важно при значительной выходной мощности (0,5-1 кВт и более); повышается помахозащищенность тиристорнрго СПН при воздействии импульсных сетевых помех, так как длительность импульса УЖМ, во время которого УЖМ не чувствителен к помахам, значительно превьщхает паузу йежду импульсами, при этом количество ложных срабатываний сокращается в 3-5 раз; достаточно просто решена задача защиты от перенапряжений выхода стабилизатора путем запирания УЖМ через ключевую пороговую схему напряжением, снимаемым с резистивного датчика тока; повышается надёжность работы ТСПН с емкостным фильтроМ| т.е. увеличение срока службы на 20-25% посредством мягкого подключения к сети за счет плавного изменения угла включения оптронных тиристоров тиристорного . регулируЮ|щеГо элемента по мере заряда конденсатора в пороговой интегрирующей схеме и уменьшейия длительности импульгса УЖМ; автоматически осуществляется первход стабилизатора из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока при коротких замыканиях на вьи ходе и повьш1ается устойчивость и эффективность работы защиты при перегрузках и коротких замыканиях; применение оптронного тиристора в тиристорном регулирующем элементе позволяет осуществить гальваническукэ развязку цепей управления и регулирования, а также совместить при этом формирование импульсов управления и повысить помахозащищенность. В предлагаемом СПН регулирование напряженная производится на стороне переменного напряжения, однако данное устройство без существенных изменений в схеме позволяет осуществить регулирование на стороне постоянного напряжения, а также регулировать напряжение в варианте без силового трансформатора. 9 Формула изобретения 1. Тиристорный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий тиристорный регулирующий элемеш в цепи переменного напряжения силового трансформатора, к вто ричной обмотке которого подключен вьтр$ьмитель, соединенньй с выходными вьюодам фазоимпульсную Ьхек1у управления на однопереходном транзистора с RC-цепью, вход которой соединен с вьшодами для подключения питающего напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента стабилизации, КПД и помехозащищенности стабилизатора, он снабжен ищущим многовхоДовым .лулБтивибратором, пороговым ключевым узлом, резистивным датчиком тока и делителем напряжения, причем первый - запускающий кход мультивибратора соединен с вьсходом фазоим.пульсной схемы управления, второй - управляющий аход соединен через резистивный делитель с выходом выпрямителя, тре тий - запирающий вход соединен через пороговый ключевой узел с резистивным датчиком тока в выходной цепи выпрякш-. 74 .82 теля, а выкод мультивибратора подключен к управляющему аходу тиристорного регулятора, который выполнен на оптронных тиристорах. 2,Стабилизатор по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем. Что, с целью обеспечения мягкого подключения к питающей сети переменного тока при работе на вьтрямитель с екЛостным сглаживающим филы ром, введен четвертый - вспомогательный управляющий аход мультивибратора, который соединен через пороговый интегратор с выходом выпрямителя, 3.Стабилизатор по п. 1 и 2, о т - личающийся тем, что, с целью повышения надежности, введен пятый вспомогательный управляющий вход мультивибратора, который соединен через диод с выходом сглаживающего фильтра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 494731, кл. G 05 F 1/46, 1975. 2.Патенгг США N9 3262О45, кл. 321-16, 1962.