Пьезополупроводниковый стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1982 года по МПК G05F1/56 

I

Изобретение относится к электро- / технике и может быть использовано во вторичных источниках питания.

Известны преобразователи и стабилизаторы напряжения, выполненные на пьезоэлектрических трансформаторах (ПЭТ) и содержащие пьезоэлектрический трансформатор, усилитель мощности, генератор и схему управления с целью обратной связи l3 и {2.

Недостатками данных устройств . являются ограниченные диапазоны регулирования параметров пьезоэлектрического трансформатора, ограниченные диапазоны стабилизации напряжения на выходе,ограниченная точность стабилизации напряжения (в пределах 18-15).

Наиболее близким к предлагаемому является пьезополупроводниковый стабилизатор постоянного напряжения, содержащий управляемый частотозадающий генератор, последовательно соединенный с ним усилитель мощности

К выходу которого подключен пьезоэлектрический трансформатор, выпрямитель с фильтром, подключенный входом к выходу пьезоэлектрического трансформатора, а выходом к выходному выводу, узел обратной связи,состоящий из усилителя-регулятора,делиteля напряжения, включенного между выходным выводом и общей шиной, а средним потенциометрическим выводом подключенного к первому входу усилителя-регулятора, и источника опорного напряжения, подключенного относительно общей шины ко второму входу усилителя-регулятора ГЗЗ.

Недостатки устройства - возможность срыва режима стабилизации при работе устройства в широком диапазоне изменения температуры- окружающей среды; неполное использование энергетических возможностей ПЭТ даже при применении в качестве задающего генератора высокостабильного генератора прямоугольных импульсов с мостовыми

времязадающими .цепями (из-за дрейфа амплитудно-частотной характеристики ПЭТ); необходимость дополнительной подстройки схемы при смене ПЭТ,т.е. низкая серийноспособность, а также низкая надежность.

Цель изобретения - повышение стабильности работы, повышение надежности,а также улучшение серийнопри- . годности.

Поставленная цель достигается тем что в пьезополупроводниковом стабилизаторе постоянного напряжения (3) введен блок поиска с переменной скоростью, состоящий из порогового элемента с фиксированным уровнем срабатывания, управляемого генератора пилообразного напряжения и истокового повторителя с рёзистивной нагрузкой, подключенной к общей шине, при этом выход порогового элемента относительно общей шины соединен с управляющим входом управляемого генератора пилообразного напряжения, выходной вывод которого подключен к входу истокового повторителя, вход ,порогового элемента, являющийся входом блока поиска, соединен со средним выводом делителя напряжения, а выход истокового повторителя, являющийся выходом блока поиска, соединен с выходом управляемого частотозадающего генератора и - через введенный резистор - с выходом усилителя-регулятора

Причем управляемый генератор пилообразного напряжения содержит управляемый элемент с гистерезисом, конденсатор, подключенный одним выводом к питающему выводу блока поиск а другим - выходным, к входному выводу управляемого элемента с гистерезисом, первую зарядную цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора и МОП-ключа, подключенную резисторным выводом к выходному выводу конденсатора, а выводом МОП-ключа - к общей шине, вторую зарядную цепь из резистора, включенного между общей шиной и выходным вь водом конденсатора, разрядную цепь из последовательно соединенных разделительного диода и резистора,подключенного к выходному выводу конденсатора, и элемента НЕ, выходом соединенного с другим выводомуказанного диода, при этом управляемый элемент с гистерезисом, состоит из двух МОП-транзисторов с и каналами и двух НОП- транзисторов с р-каналами, объед

ненных по затворам в две комплементарные пары и двухвходового логического элемента И-НЕ с рёзистивной обратной связью на первый вход,причем 5 истоки внешней комплементарной пары по отдельности подключены к питающему выводу блока поиска и общей шине, стоки - к соответствующим истокам внутренней комплементарной пары, стоки которой подключены к первому входу элемента И-НЕ, затворы внешней комплементарной пары, соединенные с выходом элемента И-НЕ, образуют выход управляемого элемента с гистерезисом, затворы внутренней комплементарной пары образуют вход управляемого элемента с гистерезисом, а второй вход элемента И-НЕ, соединенный с затвором МОП-ключа, является управляющим входом управляемого генератора пилообразного напряжения.

На фиг. 1 приведена функциональнопринципиальная схема пьезополупроводникового стабилизатора постоянного

5 напряжения, реализующего способ частотно-поискового управления; на фиг. 2 - график, иллюстрирующий работу предлагаемого устройства с этим способом управления; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу блока поиска.

Пьезополупроводниковый стабилизатор постоянного напряжения состоит из частотного блока 1 стабилизации и

5 блока 2 поиска. Частотный блок стабилизации содержит управляемый частотозадающий генератор (УЗГ)З, выходом соединенный с усилителем мощности (УМ) , который нагружен на пьезо0электрический трансформатор (ПЭТ) 5. ПЭТ 5 через выпрямитель с фильтром 6 соединен с выходным выводом (нагрузкой) и делителем напряжения,образованного резисторами 7, 8 и по5тенциометром 9. УЗГ 3 управляется напряжением Uvj, сформированным из сигнала Up, поступающего с выхода усилителя-регулятора 10 через резистор 11, и сигнала, поступающего

0 с выхода блока 2 поиска. Регулятор 10 одним своим входом (вторым) соединен с источником питания опорного , напряжения Don з другим входом (первым) с движком потенциометра 9 делителя обратной связи и образует совместно с элементами 7-9 измерительно-регулирующий узел обратной связи частотногоблока 1 стабилизации. Блок поиска с переменной скоростью 2 состоит из управляемого генератора 12 пилообразного напряжения (УГПН), который своим управляющим входом соединен с выходом порогового элемента 13, работающегб в ре жиме (порогового элемента) с фиксированным порогом (уровнем срабатывания) , причем вход элемента 13 (§ход блока 2 поиска) соединен с движком потенциометра 9- Блок 2 содержит также истоковый повторитель на транзисторе 1 с резистивной нагрузкой 15- Выход истокового повторителя, являющийся выходом блока 2, соединен с управляющим входом генератора 3- УГПН 12 состоит из конденсатора 16, одним выводом подключенного к питающему выводу блока 2, а другим - выходным узла 12 - к входу истокового повторителя, т.е. к затво ру транзистора k, первой зарядной цепи на резисторе 17 и МОП-ключе 18, второй зарядной цепи на резисторе 19 разрядной цепи - из последовательно соединенных разделительно диода 20 и резистора 51 , а также, из элемента НЕ 22, выходом соединенного с дру гим выводом диода 20. В узел 12 входит также управляемый элемент с гистерезисом (УЭГ) на МОП-транзисторах 23-26 и логическом элементе И-НЕ 27 и резистиеной обратной связью на пер вый вход - резистор 28. Питание блока 2 осуществлено от стабилизатора на транзисторе 29, опорным элементом которого служит источник опорного напряжения усилителя - регулятора 10 Вход управляемого элемента с гистерезисом (УЭГ), образованный соединением затворов транзисторов 2 и 25 подключен к выходному выводу конденсатора 16, т.е. к входу истокового повторителя. Управляющий вход УЭГ являющийся вторым входом ячейки 27, соединен с затвором МОП-ключа 18 управляющим входом узла 12, Первый вход ячейки 27 соединен с объединенными стоками транзисторов 24 и 25, а выход ячейки 27 соединен с входом элемента НЕ 22, к которому подключены также затворы транзисторов 2 и 25, Выводы зарядно-разрядных цепей подключены к выходному-выводу конденсатора 16. Пьезополупроводниковый стабилизатор работает следующим образом, 8 режиме стабилизации рабочая точ ка устройства находится на рабочем (в данном случае правом) склоне АЧУ ПЭТ (фиг.2), При этом блок поиска отключен и не оказывает влияния на работу устройства. Это. объясняется тем, что в режиме стабилизации Ugn И, следовательно, ио больше порога срабатывания элемента 13, который составляет 0,5 IonВ этих условиях элемент 13 своим выходным сигналом в виде логического нуля запирает транзистор 18 и воздействует на один из входов ячейки 27, Сигнал с вых,ода элемента 13, устанавливает на выходе ячейки 27 логическую единицу, а на выходе инвертора 22 появляется логический ноль. В результате конденсатор 16 заряжается через цепь, образованную параллельным соединением резистора 19т резистора 21 и сопротивления закрытого диода 20, резистора 17 и сопротивления запертого канала транзистора 18 до напряжения питания U , т.е. DC О- Поскольку в режиме стабилизации Up-70, напряжение отсечки транзистора 1 .мало, последний заперт положительным напряжениемЛ - на его истоке, где Uvi и R 1. + Ri5 При действии слабых возмущений (изменение тока нагрузки, температура окружающей среды и т.п.) их компенсация осуществляется регулятором 10, который сравнивает текущее значение и ,,- с , преобразует сигнал рассогласования в соответствии с законом регулирования (в данном случае в соответствии с законом ПИД) и. своим выходным сигналом Up, проходящем через делитель, образованный резистором 11 и 15 в виде напряжения UNJ воздействует на вход УЗГ 3, изменяя его частоту. Рабочая точка смещается вдоль рабочего склона АЧХ ПЭТ до тех пор, пока U(j,y не станет равным заданному значению. Под действием сильных возмущений рабочая точка может перейти на левый склон АЧХ ПЭТ, при этом знак обратной связи меняется на противоположный, стабилизация нарушается вследствие смены знака обратной связи, и частота УЗГ 3 становится минимальной. Для устранения этого недостатка используют высокостабильный УЗГ, у которого нижняя граница генерации жестко фиксируется вблизи резонансной частоты ПЭТ,

Однако в широком диапазоне изменения температуры поддерживать эту границу неизменной из-за собственной температурной нестабильности УЗГ оказывается практически невозможным и граница смещается либо на рабочий правый склон ПЭТ (при этом снижается диапазон регулирования), либо уходит на левый склон (при этом происходит срыв режима стабилизации при сильных возА ущениях; ненадежный запуск при ее включении) Это обусловлено как высокой добротностью (узкостью полосы пропускания) ПЭТ, так и дрейфом АЧХ ПЭТ при сильных воздействиях. Действительно, если частота УЗГ 3 находится левее частоты f |,;р - частоты соответствующей заданному значению Uj,выходного напряжения, но на левом склоне АЧХ ПЭТ (в отличии от рд5, находящейся на правом склоне) , то в отсутствии схемы поиска в частотном канале стабилизации знак обратной связи положительный и регулятор 10 уменьшает частоту f до значения ,соответствующего нижней границе генератора УЗГ; выходное напряжение Up регулятора 10 минимально. Для того, чтобы в этих условиях (без схемы поиска) стабилизатор нормально функционировал необходимо, чтобы для данного заданного выходного напряжения Ui нижняя граница (ц не выходила из полосы частот с,р раб Однако для больших заданных значений выходного напряжения например UJQ, эта полоса сужается. Для максимального выходного напряжения полоса вырождается в точку, соответствующую резонансной частоте . В этом случае нижнюю границу нужно поддерживать равной р,что при изменении температуры окружающей среды практически невозможно. Кроме того, при смене ПЭТ, имеющих в общем случае разброс по резонансной частоте, устройство необходимо заново настраивать.

Эффективной мерой, устраняющей эти недостатки является использование частотно-поискового способа уп|эавления ,для чего в устройство введен блок 2 поиска. Алгоритм взаимодействия блока 2 поиска с остальными функциональными узлами устройства заключается в следующем.

При действии сильных внешних возмущемий, выводящих стабилизатор из

нормального режима стабилизации,чаС тота УЗГ смещается нижезначения критической частоты В этот момент времени блок 2 поиска осуществляет сначала размыкание частотног канала, а затем поиск полосы пропускания ПЭТ периодическим сканированием частоты генератора 3 в пределах полосы поиска т mm до момента, пока выходное напряжение стабилизатора не станет равным заданному, после чего блок 2 поиска отключается, а частотный канал стабилизации вновь замыкается. Кроме того, для уменьшения общего времени поиска блок 2 поиска осуществляет сканирование с переменной скоростью. Вне полосы пропускания ПЭТ сканирование происходит по экспоненциальному закону с постоянной времениь-. При попадании частоты УЗГ в полосу пропускания ПЗТ скорость сканирования уменьшается и происходит с постоянной времени СQ.

Основным узлом, входящим в состав УГПН 12 блока 2 поиска, является управляемый элемент с гистерезисом (УЭГ).

При входном напряжении, соответствующем логической единице на одном из входов элемента 27 (управляющем входе УЭГ) УЭГ имеет два устойчивых состояния. Одно из них соответствует открытому состоянию транзисторов 23 и 24, запертому состоянию транзисторов 25, 26 и логическому нулю на выходе элемента 27, а другое - открытому состоянию транзисторов 25 и 26, запертому состоянию транзисторов 23, 24 и логической единице на выходе элемента 27. Устойчивость состояний определяется тем, что последовательная цепь из линейки транзисторов 23-26 и элемента 27 имеет (в основном за счет коэффициента передачи элемента 27) большой коэффициент усиления. Эта цепь замкнута кольцом положительной обратной связи и обладает триггерным эффектом. Изменение состояния УЭГ (при логической единице на управляющем входе) можно осуществить лишь путем запирания одного из ранее от-крытых транзисторов 2 или 25, в зависимости от того, какой из транзисторов 23 или 2б к этому моменту времени открыт. Так, например,если открыт транзистор 23, транзистор 26 заперт (на выходе элемента 27 - логический ноль), то изменение потенциала на входе УЗГ, являющимся точкой- соединения затворов транзисторов и 25 позволяет лишь создать условие для открывания транзистора 25. Но так как исток его фактически через запертый транзистор 2б оторван от общей точки, то он не откроется. С другой стороны, изменение входного напряжения может привести к запиранию открытого транзистора 2k (при U,v7U - Unop ад)Это приведет к тому, что первый (фиг.1) вход элемента 27 окажется оторваннымот цепи питания и общей точки. Поскольку ячейка 27 охвачена по этому входу местной отрицательной обратной связью с помощью резистора 28, то под действием этой обратной связи уровни входного и выходного напряжения ячейки 27 выравниваются на уровне U/2. Изменение выходного напряжения ячейки 27 приведет к отпиранию транзистора 2б. Исток транзистора 25 соединится теперь через сопротивление канала транзистора 2б с общей шиной и, так как входное напряжение УЭГ к этому

времени - U „090. , то транзистор 25 откроется; входячейки 27 окажется соединенным через малое сопротивление каналов транзисторов 25 и 26 с общей шиной, а на выходе ячейки 27

появится напряжение логической едини цы. Это в свою очередь, приведет к запиранию транзистора 23. Таким образом УЭГ можно перевести во второе устойчивое состояние при превышении входного напряжения U значения о Леревести УЭГ вновь в первое устойчивое состояние можно лишь,

закрыв транзистор 25 (Uc, 15Тогда, аналогично описанному выше, ввиду запертых транзисторов 23 и 25 вход ячейки 27 окажется оторваннымот цепей питания, и под действием 0.0.С., образованной резистором 28, выходное напряжение ее станет равным

. Это, в свою очередь, приведет к

открыванию транзистора 23, и затем к открыванию транзистора 2

(Un U-UnoprL4 подаче на вход- . элемента 2 через сопротивление каналов открытых транзисторов 23 и 2k логической единицы. В результате на выходе элемента 27 появится напряжение логического нуля, которое закроет транзистор 2б и УЭГ окажется в первом устойчивом состоянии.

Ширина петли гистерезиса УЭГ составляет U - ИПОР 4 as, а переход из одного устойчивого состояния в другое ввиду большого коэффициента передачи в петле П.О.С, происходит лавинообразно. При появлении на уп.равляющем входе УЭГ логического нуля вне зависимости от U, выходное напряжение элемента 27 всегда соответствует логической единице.

УГПН 12 работает следующим образом.

Пусть в какой-то момент времени Lc ) тогда на выходе УЭГ - логическая единица, а на выходе инвертора 22 - логический ноль. К аноду диода 20 приложено отрицательное напряжение и последний заперт. Если на выходе элемента 13 - логическая единица, то транзистор 18 открыт и конденсатор 16 начинает заряжаться через цепь, составленную из параллельно соединенных резисторов 17 и 19 (сопротивлением канала открытого транзистора 18 значительно меньше сопротивления резистора 17) с постоянной времени 1., С () . При этом напряжение UQ уменьшается. В момент, когда достигнет нижнего порога срабатывания УЭГ последний перекидывается в противоположное устойчивое состояние. В результате на выходе элемента 27 появляется логическая единица, диод 20 открывается. Поскольку сопротивление разрядной цепи, составленной из резистора ;21 и открытого диода 20, выбрано значительно меньше сопротивления зарядной цепи (R -j/fR g), то конденсатор 16 начинает разряжаться,причем U растет по экспоненциальному закону с постоянной времени L-J С (R ) // R,-, //Ri до знаir IT Rl9/Rn

- ,,/,R,,.- Кг.-RaoТак как U выбрано больше верхнего порога срабатывания УЭГ, то U, достигнув этого значения, перекинет УЭГ в исходное состояние. В дальнейшем описанные процессы периодически повторяются. Размах пилообразного напряжения равен разностиуровней верхнего и нижнего порога УЭГ (U - Unop 44 UUOP 45 ) Если в какой-то момент времени на управляющем входе УГПН 12 появится логический ноль, то транзистор 18 закроется. а на выходе элемента 27 появится логическая единица. В результате конденсатор 16 начнет разряжаться по экспоненциальному закону через резистор 19 с постоянной времени ) ) ДО значения Таким образом УГПН оказывается остановленным. Выходное напряжение УГПН (Uc) поступает на затвор истокового повторителя на транзисторе 14 и резисторе 15 который служит для согла сования выходного сопротивления УГПН 12с входным сопротивлением УЗГ 3, а также для обеспечения взаимосвязанного функционирования блока поиска с остальными узлами устройства. При действии в-момент t (фиг.З) сильного внешнего возмущения, например короткого замыкания по выходу, рабочая точка устройства смещается левее критической частоты, В результате этого знак обратной связи в час тотном контуре стабилизации станет п ложительным и стабилизация нарушится Выходное напряжение, а, следовательно, и пропорциональное ему напряжение обратной связи UQ уменьшается. Поскольку конденсатор 16 блока поиска заряжен (U 0) то напряжение Uvj вслед за Up уменьшается до минимального значения. В момент trt, когда значение U Q достигнет порога элемента 13, на выходе последнего появится логическая единица (фиг.36), В результате включается в работу блок 2 поиска. Напря жение U быстро растет до значения UPQP с постоянной времени Т . Поскольку Up ci О, то Uvj, как выходное напряжение истокового повторителя блока поиска,начинает расти вслед за изменением U (фиг.З, в, д). Достигну значения П с начинают уменьшаться с постоянной времени Т. до значения /(-Затем процессы повторяются. 8 результате частота УЗГ 3 начинает периодически сканировать от значения nmin (фиг.2), пока сохраняется режим К.З. по выходу устройства. Если внешнее возмущение заканчивается в момент ta то частота УЗГ 3, задаваемая блоком 2 поиска, соответствует к этому времени частоте меньшей из частот полос пропускания. Тогда блок поиска вновь осуществляет поиск полосы пропускани ПЭТ 5, В момент t., когда рабочая ТОЧКА попадает в полосу пропускания ПЭТ, и 0 достигает значения порога элемента 13 и последний выключает блок поиска (фиг.З а, б, в).Напряжения и с, и U- продолжают уменьшаться уже с постоянной времени Т . При этом Напряжение Up плавно растет, а и N( плавно уменьшается, и к моменту времени t соотношение между ними становится таким, что ток резистора 11 становится равным току резистора 15. Это, в свою очередь, соответствует отсутствию тока истока транзистора 14, т.е. его запертому состоянию. Дальнейшее уменьшение напряжения Uj. не оказывает влияния на и, которое теперь определяется только значением Up, поэтому, так как блок поиска остановлен, управление частотой УЗГ 3 осуществляет регулятор 10, компенсируя остаточные небольшие возмущения, как это было описано выше. Аналогичным образом происходит работа при включении устройства.Следовательно, в худшем случае, время выхода устройства на режим стабилизации после окончания сильного внешнего возмущения складывается из интервала tn-t, соответствующего времени одного цикла поиска, и интервала . Причем использование переменной скорости поиска позволяет значительно сократить интервал t - t, поскольку постоянная времени С ограничена снизу степенью различимости динамической АЧХ ПЭТ с точки зрения возможного пропуска АЧХ в процессе поиска, а Тл ограничена снизу величиной допустимого расхождения статической и динамической АЧХ, величина которого определяется необходимым динамическим диапазоном по отработке внешних возмущений. Если для высокоточного устройства оказывается, что dmin rnini ™ устройства поиска, с постоянной скоростью, последняя соответствует tq и общее время поиска оказывается больше, Итак, положение резонансной частоты ПЭТ 5 в зоне поиска безразлично, т.е. в устройстве, без какихлибо дополнительных перестроек используют ПЭТ с любой резонансной частотой, попадающей в зону поиска, что свидетельствует о повышенной серийноспособности предлагаемого устройства. - Использование изобретения позволяет повысить точность и стабильность 13 работы, увеличить КПД надежность. Формула изобретения 1.Пьезополупроводниковый стабилизатор постоянного напряжения(Содержащий управляемый частотозадающий генератор, последовательно соединенный с ним усилитель мощности, к выходу которого подключен пьезоэлектрический трансформатор,выпрямитель с фильтром, подключенный входом к выходу пьезоэлектрического трансформатора, а выходом к выходному выводу, узел обратной связи состоящий из усилителя-регулятора, делителя напряжения, включенного между выходным выводом и общей шиной, а средним потенциометрическим выводом подключенного к первому входу усилителя-регулятора, и источ ника опорного напряжения, подклю.ченного относительно общей шины ко второму входу усилителя-регулятора отличающийся тем, что, , с целью повышения стабильности работы, повышения надежности, а также улучшения серийнопригодности, в нег введен блок поиска с переменной ско ростью, состоящий из порогового эле мента с фиксированным уровнем срабатывания,управляемого генератора пилообразного напряжения и истоково го повторителя с резистивной нагруз кой, подключенной к общей шине, при этом выход порогового элемента отно сительно общей шины соединен с упра ляющим входом управляемого генерато пилообразного напряжения, выходной вывод которого подключен к входу ис токового повторителя, вход порогово элемента, являющийся входом блока поиска, соединен со средним выводом делителя напряжения, а выход истоко го повторителя, являющийся выходом блока поиска, соединен с выходом уп равляемого частотозадающего генератора и - через введенный резистор с выходом усилителя-регулятора. 2.Стабилизатор по п.1, о т л ич.ающийся тем, что управляемый генератор пилообразного напряже ния содержит управляемый элемент с 6 гистерезисом, конденсатор,подключенный одним выводом к питающему выводу блока поиска, а другим - выходным, к входному выводу управляемого элемента с гистерезисом, первую зарядную цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора и МОП-ключа, подключенную резисторным выводом к выходному выводу конденсатора , а выводом МОП-ключа - к общей шине, вторую зарядную цепь из резистора , включенного между общей шиной и выходным выводом конденсатора,разрядную цепь из последовательно соединенных разделительного диода и резистора, подключенного к выходному выводу конденсатора, и элемента НЕ, выходом соединенного с другим выводом указанного дибда, при этом управляе|Мый элемент с гистерезисом, состоит из двух МОП -транзисторов с л каналами и двух МОП-транзисторов с р каналами, объединенных по затворам в две комплементарные пары и двухвходового логического элемента И-НЕ с резистивной обратной связью на первый вход, причем истоки внешней комплементарной пары по отдельности подключены к питающему выводу блока поиска и общей шине,стоки - к соответствующим истокам внутренней комплементарной пары,стоки, которой подключены к первому входу элемента И-.НЕ, затворы внешней комплементарной пары, соединеные с выходом элемента И-НЕ образуют выход управляемого элемента с гистерезисом, затворь внутренней комплементарной пары образуют вход управляемого элемента с гистерезисом, а второй вход элемента И-НЕ, соединенный с затвором МОП-ключа, является управляющим входом управляемого генератора пилообразного напряжения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Плужников В.М., Семенов В.С, Пьезокерамические твердые схемы.М., Энергия, 1971, с. 69-9. с. 110122. 2.Лавриненко В.В. Пьезоэлектрические трансформаторы. М. , Энетэгия, 1976, с. 80-95. J. Авторское свидетельство СССР по заявке № 26160 2/18-25, чл. И 01 F , 1977.

и

11

«i

1

21

11

- -- -

j.

1- -

I

i U П

f / nt.mia пор/пах

t

фуг, I.

f