Стабилизированная система электропитанияНА бАзЕ пьЕзОТРАНСфОРМАТОРА Советский патент 1981 года по МПК H02M3/335 G05F1/56 

(54) СТАБИЛИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА БАЗЕ ПЬЕЗОТРАНСФОРМАТОРА

I

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, для вторичных источников устройства судовой, бортовой радиоэлектронной аппаратуры.

Известны преобразователи и стабилизаторы напряжения на базе пьезотрансформаторов с использованием амплитудного, частотного и фазового способов изменения характеристик пьезотрансформатора. Эти устройства содержат пьезоэлектрический трансформатор (ПЭТ), усилитель мощности; генератор (автогенератор) и блок управления с цепью обратной связи 1, f2 и 3.

К недостаткам указанных устройств относятся ограниченные динамические диапазоны регулирования параметров пьезотрансформатора, ограниченные диапазоны стабилизации напряжения на выходе, которые зависят от процентного изменения напряжения и тока нагрузки, а также ограниченная точность стабилизации напряжения.

Наиболее близка к предлагаемой стабилизированная система электропитания на базе пьезотрансформатора, содержащая усилитель мощности, выходом соединенный со входом пьезоэлектрического трансформатора, выход которого через выпрямитель с фильтром соединен с выводом для подключения нагрузки, и блок управления усилителем мощности, состоящий из частотного канала на регуляторе, выходом соединенном со входом управляемого задающего генератора, выход которого через ключевые элементы подключен к управляющим входам усилителя мощности 4.

Недостатки известного устройства - возIQ можность срыва режима стабилизации при работе устройства в щироком диапазоне изменения температуры окружающей среды; не полное использование энергетических возможностей ПЭТ даже при применении в качестве задающего генератора высокоста15 бильного генератора прямоугольных импульсов с мостовыми времязадающими цепями; невозможность получения стабилизированного отрицательного выходного напряжения (отсутствие универсальности по знаку стабилизированного выходного напряжения).

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, повышение стабильности и КПД системы электропитания. 3 8516 Поставленная цель достигается тем, что в стабилизированную систему электролитания на базе пьезотрансформатора введены фазовый канал и узел формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи, состоящий из генератора тока, последовательно соединенного с источником опорного напряжения на первом стабилитроне и. со вторым стабилитроном, потенциометра, подключенного параллельно первому стабилитрону, а выходом подключенного к одному из вхо-,о дов регулятора блока управления усилителем мощности, другой вход которого соединен с выходом вновь введенного резисторного делителя напряжения, включенного между точкой соединения стабилитронов узла формирования и выводом для подключе- ния нагрузки, причем фазовый канал выполнен на двух формирователях импульсов, .выходы которых подключены ко входам логической схемы совпадений, фильтре нижних частот и компараторе с разделительным о диодом на его выходе, при этом вход одного формирователя импульсов через вновь введенную интегрирующую фазосдвигающую цепь соединен со входом пьезоэлектрического трансформатора, а вход другого формирователя импульсов через вновь введенные25 диодный ограничитель и емкостный штырь, расположенный в непосредственной близости от выходного электрода пьезоэлектрического трансформатора соединен с управляющим входом управляемого задающего генератора. На.фиг. 1 приведена функционально-прин ципиальная схема системы электропитания, вырабатывающей высокое положительное напряжение; на фиг. 2 - фрагмент схемы системы, вырабатывающей высокое отрица-35 тельное напряжение; на фиг. 3 -временные диаграммы, поясняющие принцип действия элемента схемы совпадений в динами -Сисистема электропитания (фиг. I) содержит усилитель 1 мощности (УМ), на-40 груженный на вход ПЭТ 2. Последний через выпрямитель с фильтром 3 соединен с нагрузкой 4. Усилитель 1 мощности является двуполярным, модулированным по частоит из регулятора 7, соединенного одним своим входом с нижним плечом высокоомного делителя, составленного из резисторов 8 и 9, другим входом -с выходом узла формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи, а выходом через резистор 11 с управляющим входом управляемого задающего генератора (УЗГ) 12. Выход УЗГ 12, через ключевые элементы- формирователи 13 и 14 ступенек соединен со55 входом УМ 1. Регулятор сравнивает текущее значение выходного напряжения стабилизатора с задающим значением Uj, преоб874разует полученный сигнал рассогласования в соответствии, например, с пропорционально-интегрально-дифференциальным законом (ПИД) регулирования, и своим выходным напряжением в виде сигнала управления устанавливает частоту генерации УЗГ 12. Прямоугольные импульсы типа меандр с выхода УЗГ 12 поступают на формирова ли 13 и 14 ступенек. Формирователь 13 повторяет выходное напряжение УЗГ 12, осуществляя задержку по отрицательному фронту его выходного напряжения на время, необходимое для рассасывания зарядов неосновных носителей в базах мощных транзисторов УМЛ. Формирователь 14 инвертиpyg выходное напряжение УЗГ 12, осуществ задержку по положительному фронту gj-o выходного напряжения на ту же величи„у g результате УЗГ 12 и формирователи 13 „ 14 образуют две последовательности отрицательных импульсов с периодом рабо частоты, сдвинутых друг относительно друга на половину периода и меньших ее „д величину, равную времени задержки формирователей 13 и 14. Фазовый канал 6 из логической схемы 15 совпадений, соединенной одним своим входом через формирователь 16 и интегрирующую цепочку из резистора 17 и конденсатора 18 со входом пЭТ 2, а другим входом через формирова - ь 19 с диодным ограничителем на диодах 20 и 21 и емкостным штырем 22, расположен„ым в непосредственной близости от выход ой секции ПЭТ 2. С целью упрощения схемы фазового канала, а также уменьшения мощности потребления схемой управления логическая схема 15 выполнена на одной ячейке микросхемы с КМДП--структурой, реализующей по двум в.ходам логическую функцию «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (напримерсерии 564-564ЛП2). С этой же целью на элементах с КМДП-структурой реализуются „ другие функциональные узлы схемы: УЗГ 12, формирователи 13 и 14 ступенек, формирователи 16 и 19. Выход элемента 15 фильтр нижних частот, составленный „ резистора 23 и конденсатора 24 соединен с неинвертирующим входом компаратора 25. Инвертирующий вход компаратора 25 корректирующей емкостью 26 соединен с ществляется регулировка порога срабатывания компаратора 25. Входное переменное напряжение ПЭТ 2 проходя через интегрирующую цепочку на резисторе 17 и конденсаторе 18, сдвигается по фазе на угол, близкий к 90°, и поступает на формирователь 16 Выходное напряжение ПЭТ 2, проходя через небольшую емкость, образованную выходной секцией ПЭТ и емкостным штырем 22 поступает на защитный ограничитель на диодах 20 и 21 и на формирователь 19 Формирователи 16 и 19 собраны по одинаковой схеме и формируют прямоугольные импульсы типа меандр, необходимые для нормальной работы элемента 15. Таким образом на выходы элемента 15 поступают выходное и сдвинутое на 90° входное переменные напряжения ПЭТ 2.

Принцип действия элемента 15 поясняется фиг. 2, где пунктиром обозначено напряжение, снимаемое с фильтра нижних частот (на резисторе 23 и емкости 24). Это напряжение увеличивается от значения логического «О до значения логической «1 при изменении угла сдвига фаз между входными прямоугольными импульсами на входе элемента 15 от 0° до 180°, принимая среднее значение при сдвиге фаз, равном 90°, т.е. при сдвиге фаз равном нулю между входным и выходным переменными напряжениями ПЭТ 2, что соответствует частоте резонанса.

Узел 10 формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи состоит из генератора тока на полевом транзисторе 29 с резистором 30, соединенным последовательно с опорным стабилитроном 31 и стабилитроном 32. Параллельно опорному стабилитрону 31 подключен потенциометр 33.

Предлагаемая система позволяет получать на выходе как положительное, так и отрицательное высокие напряжения. Для этого если необходимо получить высокое положительное напряжение, нижний по схеме вывод резистора 9 высокоомного делителя подключается к нижнему по схеме выводу потенциометра 33, а в качестве выпрямителя используется выпрямитель положительного напряжения (фиг. 1), если же необходимо получить высокое отрицательное напряжение, то нижний по схеме вывод резистора 9 подключается к верхнему по схеме выводу потенциометра 33, а в качестве выпрямителя используется выпрямитель отрицательного напряжения (фиг. 2). Эти переключения производятся совместно с переключением входов регулятора, для исключения смены знака основной обратной связи.

Узел формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи применим только для высоковольтных устройств (стабилизаторов), так как вместо обычного напряжения рассогласования на входе регулятора Up Uon - в схеме (фиг. 1) имеем

(U6b,)/K

где К - коэффициент деления высокоомного делителя (К 500- 1000); и-напряжение стабилизации стабилитрона 32.

Учитывая, что Uei, нестабильность напряжения U до величины практически не оказывает влияния на нecfaбильность выходного напряжения. Для низковольт ных источников , а К 1 - 10, поэтому влияние нестабильности для них значительно возрастает.

Кроме того, так как в качестве регулятора обычно используется операционный усилитель, значительно ослабляющий (практически на 60-80 дБ) синфазную составляющую входного сигнала, нестабильность нап.ряжения и, от которого отсчитывается Ua и UQC , практически не оказывает влияния на формирование управляющего сигнала Uy. Таким образом, в предлагаемой системе удается реализовать при однополярном источнике питания без каких-либо существенных отличий в схеме как стабилизацию высокого положительного так и стабилизацию высокого отрицательного напряжений.

5 Система работает следующим образом. В исходном состоянии рабочая точка находится на правом склоне амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ПЭТ. Поэтому сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями отличен от нуля и положителен. Отфильтрованное выходное напряжение с элемента 15 на емкости 24 меньще заданного потенциометра 27 напряжения компарации. Выходное напряжение компаратора минимально. Так как Уф Uy то

5 диод 28 закрыт, а фазовый канал 6 отключен от управляющего входа УЗГ 12. При действии слабых внещних возмущений, приводящих к мгновенному изменению выходного напряжения по отнощению к заданному значению, на выходе регулятора 7 формируется сигнал управления.Оу в соответствии с возникщим сигналом ощибки на входе регулятора (U з-U,;). Под действием сигнала управления изменяется частота генерации УЗГ 12. Рабочая точка на АЧХ ПЭТ смещается в сторону компенсации возникшего отклонения выходного напряжения от заданного значения. Например, если выходное напряжение увеличивается, то и напряжение Uy на выходе регулятора 7 для обеих схем (фиг. 1 и 2) увеличивается. При этом часQ тота УЗГ 12 также увеличивается. Рабочая точка смещается по АЧХ- ПЭТ в сторону увеличения частоты до тех пор, пока Ue,,, не становится равным заданному значению. В случае, если выходное напряжение уменьшается, работа схемы осуществляется о0рат5 ным образом.

При действии сильных внещних возмущений (температурных нагрузочных и др.), когда рабочая точка, смещаясь влево по частотной оси, доходит до точки резонанса ПЭТ возможен срыв в работе устройства из-за

смены знака обратной связи в контуре стабилизации. Однако этого не происходит, так как при прохождении точки резонанса ПЭТ, сдвиг фаз между входным и выходным переменными напряжениями меняет знак, выходное отфильтрованное напряжение элемента 15 становится больше заданного потенциометром 27 напряжения, и выходное напряжение компаратора 25 становится максимальным. Так как выбрано , то диод 28 открывается, а вследствие того, что динамическое сопротивление открытого диода 28 значительно меньше сопротивления резистора 11, управляющим напряжением для УЗГ 12 становится напряжение Уф, т.е. частотный канал отключается, а вместо него включается фазовый канал 6. Поэтому рабочая точка системы вплоть до окончания действия внешнего возмуш,ения находится вблизи точки резонанса ПЭТ 2 и срыва стабилизации не происходит. По окончании действия сильного внешнего возмущения фазовый канал вновь отключается, включается частотный канал и стабилизация осуществляется аналогично. При этом применение интегральных микросхем с КМДП-структурой в к-ачестве логической схемы совпадений и других функциональных узлов позволило максимально упростить схему блока управления и увеличить общий КПД схемы, а специфическое построение узла формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи позволяет реализовать при минимальных переключениях универсальную систему, способную вырабатывать как высокое отрицательное, так и высокое положительное стабилизированные напряжения при использовании однополярного источника питающего напряжения. Предлагаемая система обеспечивает по сравнению с известными малую нестабильность выходного напряжения от изменения питающего напряжения и от изменения тока нагрузки ( -0.5%), малую нестабильность выходного напряжения в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды - 60 t + 60°С (61-4ых 4;+0,5/о), нечувствительность к коротким замыканиям по выходу; малый ток потребления блоком управления (3-4 мА без учета источника опорного напряжения), достаточно высокую помехоустойчивость схемы, а также высокую надежность работы схемы. Формула изобретения Стабилизированная система электропитания на базе пьезотрансформатора, содержащая усилитель мощности, выходо.м соединенный со входом пьезоэлектрического трансформатора, выход которого через выпрямитель с фильтром соединен с выводом для подключения нагрузки, и блок управления усилителем мощности, состоящий из частотного канала на регуляторе, выходом соединенном со входом управляемого задающего генератора, выход которого через ключевые элементы подключен к управляющим входам усилителя мощности, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, повышения стабильности и КПД в нее введены фазовый канал и узел формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи, состоящий из генератора тока, последовательно соединенного с источником опорного напряжения на первом стабилитроне и со вторым стабилитроном, потенциометра, подключенного параллельно первому стабилитрону, а выходом подключенного к одному из входов регулятора блока управления усилителем мощности, другой вход которого соединен с выходом вновь введенного резисторного делителя напряжения, включенного между точкой соединения стабилитрона, узла формирования и выводом для подключения нагрузки, причем фазовый канал выполнен на двух формирователях импульсов, выходы которых подключены ко входам логической схемы совпадений, фильтре нижних частот и компараторе с разделительным диодом на его выходе, при этом вход одного формирователя импульсов через вновь введенную интегрирующую фазосдвигающую цепь соединен со входом пьезоэлектрического трансформатора, а вход другого формирователя импульсов через вновь введенные диодный ограничитель и емкостный штырь, расположенный в непосредственной близости от выходного электрода пьезоэлектрического трансформатора, соединен с управляющим входом управляемого задающего генератора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Плужников В. М., Семенов В. С. Пьезокерамические твердые схемы. М., «Энергия«, 1971, с. 69-94, 110-122. 2.Лавриненко В. В. Пьезоэлектрические трансформаторы. М., «Энергия, 1975, с. 80-95. 3.Карташов И. А., Марченко Н. Б. Пьезоэлектрические трансформаторы тока. Киев «Техника, 1978, с. 140-163. 4.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2616042, кл. Н 01 L 41/10, Н 03 Н 9/22 1978.