Дискретный стабилизатор напряжения Советский патент 1982 года по МПК G05F1/14 

(3) ДИСКРЕТНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для стабилизации напряжения питания радиоэлектронной аппаратуры.

Известно устройство, содержащее трансформатор с секционированной вторичной обмоткой, полупроводниковые ключи, вольтодобавочный трансформатор, датчик, блок управления и соответствующие связи 1 .,Q

Известно устройство, содержащее силовой трансформатор с секционированной первичной обмоткой, вольтодобавочный трансформатор, полупроводниковые ключи, блок сравнения, схему ,5 управления, и соответствуюиу е связи 2.

Общим недостатком известных устройств являются большие искажения формы выходного регулируемого напря- 20 жения, что обусловлено использованием в них только одного блока сравне-ния (в первом устройстве датчика) выходного регулируемого и опорного

напряжений, формирующего на выходе сигналы; Выходное напряжение больВыходное

ше опорного напряжения

напряжение меньше опорного напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее два пороговых элемента, автотрансформатор с секционированной обмоткой, коммутирующие элементы и соответствующие связи 3 .

Однако автоматический регулятор напряжения имеет ограниченный диапазон регулирования, определяемый схемным решением известного устройства-, максимальное количество переключений обмоток автотрансформатора равно трем. Причём при переключении обмоток автотрансформатора в известном устройстве происходит кратковременное прерывание питания на нагрузке в момент переключения контактов реле, управляемых первым и вторым пороговыми элементами. Если предположить, что перерывов в питании не происходит, т. е. контакты Двух реле срабатывают одновременно, неизбежно появ. лёние циркулирующих токов, вызывающих преждевременное разрушение кон-, тактов реле или обмоток автотрансформаторов .

Кроме того, в известном устройстве невозможно отключение напряжения, поступающего на нагрузку при выходе входного напряжения за пределы регулирования.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования выходного напряжения, устранение перерывов в питании при переключении отво дов трансформатора и. обеспечение отключения регулятора при выходе регулируемого напряжения за установленные пределы. , .

Поставленная цель достигается тем, что в дискретном стабилизаторе напряжения, содержащем трансформатор, первый отвод первичной секционированной обмотки которого соединен с первым входным выводом стабилизатора, коммутирующие элементы, первый и второй пороговые элементы, коммутирующие элементы разделены на группу основных и группу вспо| огательных элемеАтов, причем второй входной вывод стабилизатора соединен с первыми входами коммутирующих элементов основной группы и через балластный резистор с первыми входами коммутирующих элементов вспомогательной группы, выход первого коммутирующего элемента основной группы соединен с последним отводом первичной обмотки трансформатора, выход каждого из остальных коммутирующих элементов основной группы соединен с выходом соответствующего .коммутирующего элемента вспомогательной группы и с соответствующим отводом первичной обмотки Трансформатора, параллельно вторичной обмотке трансформатора и выходным вь1водом стабилизатора включены первый и второй пороговые элементы, выходы которых соединены с входами введенного блока управления, каждый извыходов которого соединен с управляющим входом соответствующего коммутирующего элемента.

На фиг. 1 показана структурная схема дискретного стабилизатора напряжения; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы работы блока управления

.8 режимах повышения и понижения выхо ного напряжения соответственно.

Дискретный .стабилизатор напряжения содержит первый 1 и второй 2 пороговые элементы., группу 3 основных коммутирующих элементов, группу 4 вспомогательных коммутирующих элементов, балластный резистор 5, силовой трансформа.тор 6, блок 7 упра-вления, входные выводы 8 и 9 и выходные выводы 10. и 1.1 .

Первый входной вывод 9 стабилизатора соединен с первым отводом первичной секционированной обмотки силового трансформатора 6, второй (8) с первыми входами коммутирующих элементов 12.1, 12.2,....,12.N основной группы 3 и через балластный ресзистор 5 с первыми входами коммутирующих элементов 12. N-1 , 1 2. N- 2,..;,. 12.2N-1 вспомогательной группы. Выход первого коммутирующего элемента 12.1 основной группы 3 соединен с последним отводом первичной обмотки трансформатора 6., выход каждого из остальных коммутирующих элементов 12.2, 12..3,. . . , 12.N основной группы 3 соединен с выходом соот;ветствующего коммутирующего элемента вспомогательной группы 4 и с гоответствующим отводом первичной обмотки трансформатора 6. Параллельно вторичной обмотке трансформатора 6 включены первый и второй пороговые э-лементы . 1 и 2, выходы которых соединены с входами блока 7 управлейия. Каждый из выходов 13.1 , 13.2,...,13.2N-1 блоке 7 управления соединен с управляющим входом соответствующего коммутирующего элемента.

Пороговый элемент 1 предназначен для задания нижнего предела выходного регулируемого напряжения, пороговый элемент 2 - длязадания верхнего предела выходного регулируемого напряжения.

Пороговые элементы 1 и 2 могут быть выполнены в виде компараторов напряжения на интегральных микросхемах.. .

Коммутирующие элементы основной и вспомогательной групп 3 и 4 предназначены для переключения отводов первичной секционированной обмотки трансформатора 6 и могут быть выполнены в виде реле, тиристоров, высоковольтных транзисторов.

Блок 7 управления предназначен для формирования сигналов управ.ления коммутирующими элементами 12,1, 12.2N-1 . Дискретный стабилизатор напряжения работает следующим образом. При включении напряжения питания блок 7 управления вырабатывает сигнал на выходе 13.1 и подключает ком мутирующий .элемент 12.1 основной группы 3 коммутирующих элементов та что на выходных выводах 10 и 11 уст ройства будет минимально возможное напряжение. Силовой трансформатор 6 рассчитан таким образом, что при включении коммутирующего элемента 12. 1 напряжение на выходных выводах 10 и 11 или ниже допустимого, или н ходится в установленных пределах. После включения напряжения питан возможны три режима работы стабилизатора. Первый,, если выходное напря жение находится в установленных пре делах сигналы рассогласования с поро говых элементов 1 и 2 не поступают. Второй, если выходное напряжение ниже допустимого, поступает сигнал рассогласования с порогового элемен та 1. Третий, если выходное напряже .ние выше допустимого, сигнал pacco ласования поступает с порогового эл мента 2. . В первом режиме стабилизатор на ходится в устойчивом состоянии, в области нечувствительности, переклю чений обмоток трансформатора не про исходит. Область нечувствительности стаби лизатора определяется разностью ус тановленнь1х порогов напряжений элементов 1 и 2. Разность напряжений выбирается в зависимости от требуемой тО:Чности стабилизации. При этом,должно выполняться усло вие /и1- где dl) -напряжение между соседними отводами силового . трансформатора; и , и - напряжение порогов элементов 1 и 2 соответственно. . Рассмотрим работу стабилизатора во втором режиме. Пусть схема находится в первом режиме с включенным коммутирующим элементом 12.1 основной группы 3 (фиг. 2, вых. 1). . . По сигналу рассогласования с порогового элемента 1, определяющего НИЖНИЙ предел допустимого напряжения на выходных выводах 10 и 11, стабилизатор переходит во второй режим работы, и блок 7 управления производит следующие переключения (фиг. 2): момент времени t - подача управляющего сигнала на выход 13.N+ 1 и включение коммутирующего элемента 12.N+1 вспомогательной группы f; момент времени t2 Снятие управляющего си|- нала с выхода 13.1 и выключение коммутирующего элемента 12.1 основной группы 3; момент времени t j - подача управляющего сигнала на выход 0.2 и включение коммутирующего элемента 12.2 основной группы 3; момент времени t - снятие управляющего сигнала с выхода13.N+ 1 и выключение коммутирующего элемента 12.N+1 вспомогательной группы Ц. В результате выключается коммутирующий элемент 12.1 и включается коммутирующий элемент 12.2, напряжение на выходных выводах 10 и 11 повышается. Циркулирующий ток, вызванный замыканием одной секции трансформатора, ограничен балластным резистором 5 и протекает в моменты времени (ц-1л) и )., полный ток первичной обмотки протекает по балластному резистору 5 в момент времени (,). Величина резистора 5 определяется из следующих выражений ди R- Л ли 0,5-R-O где ли --напряжение между соседними отводами трансформатора; R - сопротивление балластного резистора; р- средний рабочий ток первичной обмотки трансформатора. Формула (2) применяется при одноступенчатом регулировании напряжения в переходном режиме, формула (3) - при двухступенчатом регулировании напряжения. Таким образом, перерывов в питании при переключении обмоток не происходит. Мощность, выделяемая на балластном резисторе 5, незначительна, так как время (tj-t) необходимо только., для уверенного переключения коммутирующих элементов основной и вспомогательной групп. Если сигнал рассогласования на выходе порогового элемента 1 после первого переключения сохраняется, стабилизатор перейдет в следующее с стояние включенного коммутирующего элемента 3. что соответствует еще большему напряжению на нагрузке. В дальнейшем, при появлении сигн ла рассогласования на выходе порого вого элемента 1, стабилизатор будет переключаться до тех пор, пока не о жется включенным коммутирующий элемент 12.N группы 3. При появлении сигнала рассогласования на выходе порогового элемента 1 и включенном коммутирующем элементе 12.N группы 3 в момент времени t-j (фиг. 2) произойдет полное снятие напряжения с .нагрузки, так как отю1ючается коммутирующий элемент 12.N группы 3 что соответствует аварийному отключению стабилизатора напряжения при выходе регулируемого напряжения за допустимые пределы. Рассмотрим случай отработки стабилизатором сигнала рассогласования, поступающего с порогового элемента 2 (третий режим работы). Пусть включен коммутирующий элемент .12.3 группы 3 (фиг. 3, вых., 3 При повыиюнии выходного напряжения, например, из-за повышения напряжени сети или уменьшения нагрузки с порогового элемента 2 поступает сигнал рассогласования на блок 7 управления Стабилизатор переходит в третий режим работы, и блок 7 производит следуюцие переключения (фиг. З): момент времени t - подача управляюще го сигнала на выход 13.N+2 и включение коммутирующего элемента 12.N+2 группы 4; момент времени t2- снятие управляющего сигнала с выхода 13-3 и выключение коммутирующего элемен4та 12.3 группы 3; момент.времени подача управляющего сигнала на выход 13-2 и включение коммутирующего элемента 12.2; момент времени снятие управляющего сигнала с выхода 13.N+2 и выключение коммутирующего элемента 12.N+ 2 группы 4. В результате включится коммутирую щий элемент 12.2 и выключится коммутирующий элемент 12.3 в группе 3 напряжение на нагрузке понизится. Если сигнал рассогласования на выходе порогового элемента 2 исчезне схема перейдет в первый режим работы Если сигнал рассогласования останетс 8 схема описанным для третьего режима способом перейдет в состояние включенного коммутирующего элемента. 12.1 группы 3 что соответствует дополнительному понижению напряжения на нагрузке. Отличие порядка переключений стабилизатора при срабатывании порогового элемента 1, вызванного понижением регулируемого напряжения ниже допустимого предела, 6т порядка переключения при сигнале с порогового элемента 2, определено необходимостью устранения дополнительного понижения регулируемого напряжения в переходном режиме на нагрузке, изза падения напряжения на балластном резисторе 5 при включенном коммутирующем элементе группы 4 в момент времени ().(фиг. 2 и 3) При включенном коммутирующем элементе 12.1 группы 3 и появлении сигнала рассогласования с порогового элемента 2 произо.йдет полное снятие напряжения с нагрузки., так как отключается коммутирующий элемент 12.1 группы 3) ТО соответствует аварийному отключению стабилизатора напряжения при выходе регулируемого напряжения за допустимые пределы. Основным и длительным (стационарным) режимом работы стабилизатора является первый режим, в то время как режимы 2 и 3 являются переходными или нестационарными. Как следует из описания предлагаемого дискретного стабилизатора, структура подключения секций первичной обмотки трансформатора регулярная, что позволяет изменять диапазон регулирования .в широких пределах путем простого изменение числа коммутирующих элементов основной и вспомогательной групп. Использование такого стабилизатора предполагаетсоздание унифицированного ряда стабилизаторов напряжения для питания радиоэлектронной аппаратуры с различной потребляемой мощностью и требуемым диапазоном регулирования путем выбора трансформатора требуемой мощности и установки необходимого числа коммутирующих элементов. Отмеченнре техническое преимущество предлагаемого устройства по сравнению с известным позволяет значительно сократить сроки разработки стабилизаторов напряжения для комплексов аппаратуры и уменьшить их стоимость за смет применения типовых узлов. 9 Использование двух групп коммутирующих, элементоэ и балластного резис тора облегчает режим включения основ ных коммутирующих элементов и устраняет перерывы в питании при переключении отводов секционированной обмотки трансформатора,: Перерывы в питании, при дискретном отслеживании выходного напряжения, приводят к об разованию экстратоков, что прёждевре менно разрушает коммутирующие элемен ты и снижает их срок службы. Следовательно, устранение перерывов в питании .обеспечивает увеличение срока службы всего устройства в целом, что приводит к уменьшению затра- на обеспечение работоспособности устройства, , Исключение перерывов в питании приводит также к увеличению срока службы устройств, для Которых источником питания является дискретный стабилизатор напряжения, поскольку в них также исключается протекание экстратоков. Кроме этого, улучщаетс.я форма выходного напряжения, что. при выпрямлении выходного напряжения ведет к уменьшениям пульсаций. Эффективность предлагаемого устройства состоит также в том, что для регулиров1ания напряжения и аварийного отключения нагрузки при выходе напряжения за пределы регулирования, определяемые количеством использованных в схеме основных и вспомогательных коммутирующих элементов, используется одно и то же оборудование. Полученный эффект упрощает схему стабилизатора, так как не требует установки дополнительных устройств, производящих аварийное отключение. Пороговые элементы и блок управле ния в предлагаемой схеме стабилиза тора построены на микросхемах и дискретных пороговых элементах, что дае возможность работать устройству в ши роком температурном диапазоне. 10 Формула изобретения Дискретный стабилизатор напряжения содержащий трансформатор, первый отвод первичной секционированной обмотки которого соединен с первым входным выводом стабилизатора, коммутирующие элементы, первый и второй пороговые элементы, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования, устранения перерывов в питании при переключении отводов и обеспечения отключения стабилизатора г|ри выходе регудируемого выходного напряжения за установленные пределы, коммутирующие элементы разделены на группу основных и группу вспомогательных элементов, причем второй входной вывод стабилизатора соединен с первыми входами коммутирующих элементов основной группы и через балластный резистор с первыми входами коммутирующих элементов вспомогательной группы, выход первого коммутирующего элемента основной группы соединен с последним отводом первичной обмотки трансформатора, выход каждого из остальных коммутирующих элементов основной группы соединен с выходом соответствующего коммутирующего элемента вспомогательной группы и с соответствующим отводом первичной обмотки трансформатора, параллельно вторичной обмотке трансформатора и выходным выводом стабилизатора включены первый и второй пороговые элементы, , выходы которых соединены с входами введенного блока управления, каждый из выходов которого соединен с управляющим входом соответствующего коммутирующего элемента. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР №506835, кл. G 05 F l/lt, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР №157977, кл. G 05 F 1/10, 1972. 3.Авторское свидетельство СССР № 532091, кл.. .G 05 F I/U, 197t.

Фг/г, f

фуг.