Стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1982 года по МПК G05F1/46 

(5) СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в сис темах электропитания для получения постоянного напряжения с высокой степенью стабилизации. Известны вольтореверсивные стабилизаторы напряжения, обеспечивающие стабилизацию напряжения на уровне, большем или меньшем выходного напряжения, состоящие из регулируемого преобразователя, обеспечивающего широтно-импульсную модуляцию напряжения вычет-добавки, выпрямителя, филь ра и блока управления tl Недостатками известных стабилизаторов являются их относительно невысокая надежность и наличие значитель ных пульсаций выходного напряжения. Наиболее близким к изобретению яв.ляется стабилизатор постоянного на пряжения, содержащий ряд инверторных ячеек, выходы которых соединены последовательно и через выпрямитель вкл чены между входными и выходными зажи мами стабилизатора, а силовые входы подключены к входным зажимай стабилизатора через коммутирующие транзисторы, и блок управления, состоящий из ряда взаимосинхронизированных автогенераторов, выходные обмотки которых связаны с управляющими входами инверторных ячеек и коммутирующих транзисторов, причем собственная частота первого автогенератора.стабильна, частота последнего автогенератора пропорциональна выходному напряжению стабилизатора, а частота промежуточных автогенераторов ниже, чем у первого и последнего автогенераторов С 2. Недостатком данного стабилизатора являются ограниченные функциональные возможности, поскольку выходное напряжение может стабилизироваться на уровне, большем входного напряжения. Цель изобретения - расширение функ циональных возможностей стабилизато pa путем увеличения диапазона регулирования его выходного напряжения. Эта цель достигается тем, что в стабилизаторе постоянного напряже ния, содержащем ряд инверторных яче ек, выходы которых соединены последовательно и через выпрямитель вклю чены -между входными и выходными зажимами стабилизатора, а силовые вхо ды - к входным зажимам стабилизатоpa через коммутирующие транзисторы, и блок управления, состоящий из ряд взаимосинхронизированных автогенера торов, выходные обмотки которых свя заны с управляющими входами инверторных ячеек и коммутирующих транзисторов, причем собственная частота первого автогенератора стабильна частота последнего автогенератора пропорциональна выходному напряжени стабилизатора, а частота промежуточ ных автогенераторов ниже, чем у пер вого и последнего автогенераторов, указанный выпрямитель выполнен управляемым, а его управляющие входы подключены к выходным обмоткам пер вого автогенератора, при этом выход ные обмотки каждых двух последующих смежных автогенераторов соединены последовательно и подключены к управляющему входу одного коммутирующего транзистора, соединенного с ин верторной ячейкой, управляющие вход которой подключены к соединенным последовательно выходным -обмоткам двух предыдущих смежных автогенераторов , На фиг. 1 изображена электрическая схема стабилизатора; на фиг.2 его внешняя характеристика; на фиг. эпюры напряжений, поясняющие принцип работь стабилизатора. Стабилизатор постоянного напряже ния содержит регулирующий орган 1 в виде коммутируемых транзисторами 2 и 3 по цепи питания инверторных ячеек k и S с силовыми трансформато рами 6, выходные обмотки которых соединены между собой последователь но и через управляемый выпрямитель 7, состоящий из двух диодно-транзисторных цепочек 8 и 9, подключенных к нагрузке 10 последовательно с источником 11 питания, и блок управления 12, состоящий из взаимно синхронизированных автогенераторов 13-17. Собственная частота первого из них автогенератора 13) стабильна, последнего (автогенератора 17) - пропорциональна выходному напряжению, а промежуточных (автогенераторов lA16)- более низкая, чем у первого ипоследнего. Входы управляемого выпрямителя 7 соединены с выходными обмотками первого автогенератора 13Ко входам транзисторов 18 и 19 инверторных ячеек it и 5 подключены соединенные последовательно выходные обмотки автогенераторов 15, и 1, 13 соответственно, а ко входам коммутирующих транзисторов 2 и 3 соединенные последовательно выходные обмотки автогенераторов 17, 1б и 16, 15 соответственно. При этом выходные обмотки каждых двух последующих смежных автогенераторов (например 15 и 16 соединены последовательно и подключены к управляющему входу одного коммутирующего транзистора 3, соединенного с инверторной ячейкой 5, управляющие входы которой подключены к соединенным последовательно выходным обмоткам двух предыдущих смежных автогенераторов 13 и k. Встречно-параллельно транзисторам 18 и 19 каждой из инверторных ячеек k и и коммутирующим транзисторам 2 и 3 включены диоды 20, 21 и 22, 23 соответственно.Инверторные ячейки i| и 5 с соответствующими им коммутирующими транзисторами 2 и 3 подключены к источнику 11. На фиг. 2 и 3 используются следующие обозначения: и,, - напряжение на выходных зажимах стабилизатора ; напряжение на входных зажимах стабилизатора ; номинальное напряжение на выходе стабилизатора;минимальное напряжение на входе стабилизатора;максимальное напряжение на входе стабилизатора; ,и.,и .и.ии- форма сигналов на вы14 10 -io 17 ходах автогенераторов 13-17. форма напряжений на выходе инверторных ямеек 4 и 5; 5 UA - суммарное напряжени вольтодобавки; t - текущая координата, Стабилизатор с регулирующим орга ном 1, управяемым от последовательн цепи взаимно-синхронизированных в ф зе О и в фазе 180 автогенераторов , предс- авляет собой автоматическую систему управления с астатическим законом регулирования. Устройство работает следующим об разом. В режиме регулирования выходного напряжения на номинальном уровне U,,Q стабилизатор работает на горизонтальном участке своей внешней характеристики (фиг.2). При этом автогене раторы работают на одной частоте, определяемой автогенератором 13. соб ственная частота которого стабильна Каждый из автогенераторов Т4-16 расчитанный на низкую млстоту, может синхронизироваться лиС5о со стороны автогенератора 13 (слева), либо со стороны автогенератора 17 (справа). Все автогенераторы синхронизированы поочередно друг с другом от автогенератора 13 до автогенератора 17 (слева направо) в фазе 0(синфазно), а от автогенератора 17 до автогенератора 13 (справа налево в фазе 180°(противофазно). При напряжении источника 1 1 питания (U;,p) ниже некоторого значения (фиг.2) частота автогенератора 17 становится ниже частоты автогенератора 13| вследствие чего автогенераторы синхронизируются со стороны автогенератора 13 и переключаются с ним синфазно. В другом, крайнем случае, когда становится выше некоторого значения и/удо1|,с(фиг. 2 частота автогенератора 17 становится выше частоты автогенератора 13i что приводит к синхронизации автогенераторов со стороны автогенератора 17. При этом любые два смежных автогенератора 13 и 1+,14 и 15, 15 и 16, 16 и 17 работают между собой противофазно. В режиме стабилизации выходного напряжения между какими-либо двумя смежными автогенераторами может возникнуть фазовый сдвиг в пределах О - 180°, при этом все автогенераторы, расположенные в цепи синхронизации ближе к автогенератору 13i переключаются синфозно с ним эа счет цепей синхронизации, а остапьныг автогенераторы синхронизируются со стороны ае огенератора 17, за счет чего любые два смежных из них переключаются противофазно. В результате при изменении U j между напряжениями автогенераоров 13 и 17 накапливается сдвиг фаз, максимальное значение которого ровно сумме максимально возможных фазовых сдвигов между напряжениями каждых двух смежных автогенераторов 13 и 1/4, k и 15, 15 и 16, 16 и 17. Учитывая то, что максимальный фазовый сдвиг между напряжениями любых двух смежных автогенераторов равен TClBO, общий сдвиг фаз между напряжениями автогенераторов 13 и 17 может принимать значения в пределах f 0- ТСп, где в данном случае п k (число пар смежных автогенераторов) . Таким образом, в результате накапливания суммарного фазового сдвига 2 от п. до k fC при изменении 11, ° wviH и,д0у;С происходит поочередная широтно-импульсная модуляция сигналов, снимаемых с соединенных последовательно выходных обмоток каждых двух смежных автогенераторов. При 1) (фиг. 2) все -автогенераторы 13 17, работают синфазно. При этом, согласно схематическому построению (Лиг.1), коммутирующие транзисторы 2 и 3 полностью открыты, а транзисторы 18 и 19 инверторных ячеек и 5 переключаются попеременно, что обеспечивает формирование меандра на выходных обмотках трансформаторов 6. Синфазность выходных напряжений трансформаторов 6 (Uj и Ug-) и соответствующее синфазное переключение диодно-транзисторных цепочек 8 и 9 выпрямителя 7 организует полную вольтодобавку U. UpjK входному напряжению . При увеличении и автогенератор 17 стремится повысить свою частоту, в результате чего его фаза по отношению к автогенератору 1б, который вместе с автогенераторами и 15 продолжает работать в фазе с автогенератором 13 принимает значение в пределах О -ТС фиг.3 ПО3.1 , при этом его моменты переключения перемещаются влево по оси времени изменения фазы автогенераторов. Широтно-импульсное напряжение, снимаемое с последовательно соединен ных обмоток автогенераторов 1б и 17 прикладывается ко входу коммутирующего транзистора 2, в результате че го в моменты его запертого состояния первичная обмотка трансформатора 6 инверторной ячейки 4 отключается от напряжения питания и ток выпрямителя 7, измененный в соответствии с коэффициентом трансформации трансформатора 6, замыкается по первичной обмотке через открытый транзистор 18 (или 19) и диод 21 (или 20), при этом напряжение на вторичной обмот ке трансформатора 6 инверторной ячей ки k отсутствует (если пренебречь потерями в диодах 29 и 21 и транзисторах 18 и 19) Вольтодобавка Уд при нимает форму, показанную на фиг.З, поз, 1. При аыходное напряжение U;( инверторной ячейки k становится и инверторной ячейки равным нулю. В этом случае При дальнейшем увеличении Uj/,, (при ( - (С - 21) в результате того что сдвиг фаз между автогенераторами 1б и 17 не может быть более 180 (вследствие синхронизации автогенера Уора 1б автогенератором 17 в фазе iSdj, автогенератор 17 жестко синхро низирует автогенератор 16 и, стремясь увеличить свою частоту ,, ос пцест вляет накапливание фазьГмёжду напряжениями автогенераторов 15 и 16 в пределах О - f . Автогенераторы 13 15 при этом продолжают работать синфазно. Широтно-импульсная модуляция отпирающего сигнала происходит на входе коммутирующего транзистора 3 что обеспечивает широтно-импульсную модуляцию напряжения Ug-, а следовательно и ид (фиг.З поз. И). При ф 2 дополнительные транзисторы 2 и 3 полностью заперты, и вол тодобавка отсутствует: U.. U. U. 0.4 5- Л Такой режим наступает при равенстве иу,пнапряжению на нагрузке 10 потери на диодно-транзисторных цепочках 8 и 9 выпрямителя 7 не учитывается) . При If 21 - 3 автогенераторы 13 и работают в фазе, а каждые два смежных автогенератора 15 и 1б, 16 и 17 в противофазе, при этом фазовый сдвиг между напряжениями ав тогенераторов и 15 принимает зна 0 чение O-fT, что обеспечивлот широтно-импульсную модуляцию отирающего сигнала на входе основных транзисторов 18 и 19 инверторной ячейки k. В моменты запертого состояния одновременно двух транзисторов 18 и 19 инверторной ячейки k трансформатор 6 перемагничивается по вторичной цепи, наводимое при этом напряжение, на пер8ИЧНОЙ обмотке трансформатора 6 инверторной ячейки 4 выпрямляется диодами 20, 21 и 22 и прикладывается к источнику 11- обеспечивая режим вольтовычитачия (фиг.3 поз.III),В том случае, когда f 37Г , основные транзисторы 18 и 19 инверторной ячейки k полностью заперты, и режим вольтовычитания присутствует а течение всего периода переключения. При дальнейшем увеличении напряжения Оу,п( ) в режим вольтоаычитания переходит инверторная ячейка 5 (фиг.З поз,IV), при некотором значении входного напряжения и «д«11(с(фиг, 2) частота автогенератора 17 становится выше частоты автогенератора 13, что приводит к синхронизации автогенераторов от автогенератора 17. При этом любые два смежных автогенератора 13-17 в цепи синхронизации работают между собой в противофазе, что соответствует запертому состоянию как основных транзисторов 18 и 19 инверторных ячеек и 5, так и коммутирующих транзисторов 2 и 3. В.таком режиме обе инверторные ячейки 4 и 5 обеспечивапт . полное волтовычитания U -(U + ).Таким образом, предлагаемый стабилизатор постоянного напряжения обеспечивает необходимое качество выходного напряжения при напряжении на зажимах входного источника меньшем напряжения на нагрузке, так и большем. Расширение диапазона регулирования в два раза достигается без увеличения количества инверторнь1х ячеек и ихмощности, а также без повышения уровня пульсаций выходного напряжения. Формула изобретения Стабилизатор постоянного напряжения, содержащий ряд инверторных ячеек, выходы которых соединены последовательно и через выпрямитель включены между входными и выходными зажимами стабилизатора, а си/овые вход подключены к входным зажимам стабилизатора через коммутирующие транзисторы, и блок управления состояЩий из ряда взаимосинхронизированных автогенераторов, выходные обмотки которых связаны с управляющими входами инверторных ячеек и коммутиру.эдщих транзисторов, причем собственная частота первого автогенератора стабильна, частота последнего автогенератора пропорциональна выходному напряжению стабилизатора, а частота промежуточных автогенераторов ниже, чем у первого и последнего автогенераторов, отличаю щи йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей табилизатора путем увеличения диапазона регулирования его выходного напряжения, указанный выпрямитель выполнен управляемым, а его управляющие входы подключены к выходным обмоткам первого автогенератора, при этом выходные обмотки каждых двух последующих смежные автогенераторов соединены последовательно и. подключены к управляющему входу одного коммутирующего транзистора, соединенного с инверторной ячейкой, управляющие входы которой подключены к соединенным последовательно выходным обмоткам двух предыдущих смежных автогенераторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

кл. G 05 F , 1978.

тм

Л

JI

минUMPKC

Фи1,1

Uun