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

(54) ДВУХКАСКАДНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания стабилизированным нагфяжением и током различных электронных устройств.

Известен двухкаскадный стабил1 затор постоянного напряжения, содержащий два стабилизирующих.каскада с регулирующими элементами, сравнивающими и управляющими органами, истом- ,Q НИКОМ опорного напряжения и источником напряжения смещения l .

Однако в этом устройстве не обеспечивается постоянство падения напряжения на регулирующем элементе выход-,5 ного стабилизирующего каскада.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является двухкаскадный стабилизатор постоянHo.ro напряжения, содержащий два ста- 20 билизирующих каскада, каждый из которых состоит из регулирующего элемента, сравнивающего органа, входом соединенного с выгодными выводами, .

а выходом - с входом управляющего органа, выход которого подключен к управляющему входу регулирующего элемента, общий источник опорного напряжения, подключенный к входу сравнивающего органа второго стабилизирующего каскада, и источник напряжения смещения, причем регулирующие элементы включены последовательно между собой и с входными и выходными выводами, а специально введенный изолированный от общей шины устройства источник напряжения смещения включен между одним из входов сравнивающего ррга-. на первого стабилизирующего каскада и выходным силовым выводом регулирующего элемента выходного стабилизирующего каскада, при этом второй вход сравнивающего органа первого стабилизирующего каскада соединен с выходным силовым зажимом регулирующего элемента этого каскада С23 .

Введение в данном стабилизаторе изолированного источника напряжения смещения, включенного между выходным полюсом устройства и одним из входов сравнивающего органа первого стабилизирующего каскада, усложняет техническую реализацию стабилизатора в целом, так как это требует, как правило, дополнительной изолированной обмотки на сетевом трансформаторе вспомогательного источника напряжения, выпрямителя, фильтра и стабилидатора. Кроме того, непосредственное подключение на входы сравнивающего органа первого стабилизирующего каскада выходных напряжений регулирующих элементов, уровни напряжений которых могут меняться в широком динамическом диапазоне и достигать значений сотен вольт, технически трудно .реализуемо, так как в качестве сравнивающих органов используются интегральные операционные усилители или компараторы, максимальное входное синфазное напряжение у которых не превы-25 шает нескольких десятков вольт. Регулирование величины выходного -напряжения в схеме известного стабилизатора путем изменений сопротивлений потенциометрического делителя, подключенного к выходным полю1ам уст ройства, неудобно для реализации кодового управления выходным напряжени ем, так как это требует набора резис торов с номинальным рядом, отличным от широкораспространенного в цифрово технике ряда, соответствующего коду 1-2 - 4-8. Регулирование величины выходного тока стабилизатора путем изменения одного из резисторов того же потенциометрического -делителя возможно только для малых значений стабилизир емых токов . Это объясняется тем, что в режиме стабилизации тока данный резистор потенциометрического делите ля выполняет роль.датчика тока, и его сопротивление, как правило, выбирают значительно меньшим величины нагрузки. Поэтому для выполнения режимов стабилизации напряжения и то ка в широком динамическом диапазоне в схеме стабилизатора вышеуказанный регулируемый резистор должен для каж дого режима иметь свое номинальное значение. Кроме того, подключение нагрузки в режиме стабилизации тока к выходному полюсу устройства последовательно с датчиком тока и срединекие их общей точки с одним из входов сравнивающего органа не обеспечивает устойчивый режим .стабилизации второго стабилизирующего каскада при реактивном характере нагрузки,: Это объясняется тем, что сопротивление датчика тока мало и, следовательно, падение напряжения на нем по фазе опережает или отстает от выходного напряжения второго регулирующего элемента примерно на тот же фазовый угол, который имеет место между напряжением на нагрузке и протекающимчерез нее током (+90° для индуктивности, -90 для емкости). С другой стороны, коэффициент усиления петли обратной связи, заключенной между общей точкой нагрузки с датчиком тока и выходным полюсом стабилизатора, должен быть тем больше единицы, чем выше коэффициент стабилизации. Наличие в петле обратной связи частотно зависимых элементов при коэффициенте усиления большем единицы, создаст .ре необходимые условия для самовозбуждения второго каскада стабилизации тока при реактивном характере нагрузки. Целью изобретения является упрощение схемы стабилизации падения напряжения на регулирующем элементе стаби-; лизатора, и рас1иирение его функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем что, в двухкаскадном стабилизаторе постоянного напряжения, содержащем два стабилизирующих каскада , каждый из которых включает в себя регулирую-, щий элемент, управляющий вход которого подключен к выходу управляющего органа, вход которого подключен к выходу сравнивающего органа, источник опорного напряжения, первый и второй регулируемые резисторы, общая точка которых подключена к входу сравнивающего органа второго стабилизирующего каскада и две пары токовых и потенциальных проводов для дистанционного подключения нагрузки, первый вход сравнивающего органа первого стабилизирующего каскада подключен к средней точке первого введенного резистивного делителя напряжения, включенного между входом регулирующего элемента второго стабилизирующего каскада и введенным опорным элементом, одним выводом соединенным через введенный балластный резистор с источником опорного напряжения, а вторым выводом - с общей шиной стабилизатора, второй вход сравнивающего органа, первого стабилизирующего каскада подключен -к среднеЯ точке второ го введенного резистивного делителя, включенного между общей шиной стабилизатора и выходом регулирующего эле мента второго стабилизирующего каска да, к которому также подключены первый вывод введенного токозадающего резистора, через введённый регулируемый датчик тока - первый токовый провод для дистанционного подключени нагрузки и замыкающий контакт введен ного первого ключа, второй вывод вве денного токозадающего резистора соединен с замыкающим контактом введенного второго ключа, первый потенциальный провод для дистанционного под ключения нагрузки через введенный третий токозадающий регулируемый резистор и размыкающий контакт введенного второго ключа соединен с общей точкой сравнивающего органа второго стабилизирующего каскада, первого и второго регулируемых токозадающих резисторов, второй вывод первого регулируемого токозадающего резисторе соединен с выходом введенного инвертирующего повторителя напряжения инвертирующий вход которого через введенный ре зистор и размыкающий кон такт введенного первого ключа соединен с вторым потенциальнь1м проводом для дистанционного подключения нагруз ки, а неинвертирующий вход подключен к второму токовому проводу для дистанционного подключения нагрузки. Второй вывод второго регулируемого токозадающего .резистора подключен к источнику опорного напряжения, поляр ность которого противоположна поляр ности выходного напряжения стабилизатора. На чертеже .представлена функциональ.ная схема двухкаскадного стабилизатора напряжения. Стабилизатор содержит первый стабилизирующий каскад 1, состоящий из сравнивающего органа 2, управляющего органа 3 и регулирующего органа. , второй выходной стабилизирующий каскад Зц состоящий из сравнивающего органа 6, управляющего органа 7 и регулирующего элемента 8, две пары токовых и потенциальных проводов Э, Ю и 11, 12 для дистанционного подклю чения нагрузки 13, первый потенциометрический делитель напряжения и 15, который подключен одним выводом К входу регулирующего элемента 8, а вторым - к опорному элементу 16 и балластному резистору 17. При этом общая точка резисторов подключена у на первый вход сравнивающего органа 2, а второй вывод опорного элемента 16 соединен с рбщей шиной устройства, второй же вывод балластного резистора 17 соедине.н с источником опорного напряжения 18. Второй вход сравнивающего органа 2 подключен к средней точке второго резистивногО; делителя 19 и 20, который включен между общей шиной устройства и выходом регулирующего элемента 8, к которому дополнительно подключены первый токозадающий резистор 21, а через регулируемый датчик тока 22 - первый токовый провод 9 нагрузки 13 и замыкающий контакт первого ключа 23. Вторым своим выводом первый токозадающий резистор 21 соединен сзаммкающим контактом второго ключа 2k, размыкающий контакт которого через третий токозадающий регулируемый резистор 25 соединен с первым потенЦиа.пьным проводом 10 нагрузки 13, размыкающий контакт первого ключа 23 соединен с вторым потенциальным проводом 11 нагрузки 13, второй токовый провод 12 которой соединен с общей шиной уст- ройства, Высокоомный резистор 2б соединен с входом инвертирующего повторителя напряжения 27.- Выход этого повторителя через первый регулируемый токозадающий резистор 28 соединен с входом сравнивающего органа 6 второго стабилизирующего каскада 5, с которым, в свою очередь, через замыкающий контакт второго ключа2 соединен с токозадающим Резистором 21 и второй регулируемый токозадающий резистор 29, который -вторым выводом соединен с источником опорного напряжения 18. Полярность источника опорного напряжения 18 противоположна полярности выходного напряжения двухкаскадного стабилизатора. Стабилизатор работает следующим образом, . . . Если напряжение Ug делителя 14 и 15 меньше напряжелия. Ug делителя 19 и 20, то сравнивающий орган 2 через управляющий орган 3 включает per гулирующий элемент k, и напряжение на регулирующем элементе 8 возрастает до тех пор, пока не выполнится неравенство Ug Ug,вследствие чего по указанной целирегулирующий. 7 элемент k выключится. Таким образом осуществляется стабилизация падения напряжения на регулирующем элементе 8. Величина стабилизированного паде ния напряжения определяется коэффициентами деления делителей Т, 15 и 19, 20 и величиной опорного напряже ния опорного элемента 1б. Для того, чтобы величина стабилизированного падения напряжения не зависела от абсолютного уровня напряжений, на входе и выходерегулирующего элемен та 8, который может изменяться от десятков вильт до нескольких сотен вольт, коэффициенты деления делителей 1, 15 и 19, 20 должны быть рав т. е. не.обходимо выполнить раве и 10 этом ства Р, Р случае величина стабилизированного падения напряжения на регуляторе 8 будет определяться из выражения dfe o16() , i-......I.- r -- per- fc 14Л5 5 где Uper величина стабилизированного падения напряже ния на регуляторе 8; коэффициент деления де лителя 14 и 15, который равен коэффициен у деле ния делителя 19 и 20; PJ(-- величины сопротивления резисторов 14 и 15. Таким образом,.-величина и per. нб зависит от характера нагрузки стабилизатора и определяется согласно выражения (1) коэффициентом деления Де лителей 14, 15 и 19, 20 при определе .но заданной величине напряжения опор ного элемента 16. При этом необходимость в специальном, изолированном от нулевой шины устройства, источнике напряжения смещения отпадает. При замкнутых размыкающих контйктах ключей 23 и 24 двухтактный стабилизатор находится в режиме стабили зации напряжения на дистанционно уда ленной нагрузке 13. При этом падение напряжения на полюсе с при условии, что падение напряжения на ее полюсе d равно нулю (Uj 0), определяется из выражения - . и -- R 25. (i) г - 29 где DC- напряжение в точке с; k R-2,5 сопротивлений резисторов 25 и 29Выражение (2) не учитывает сопротивление Rn( потенциального провода 1 О, так как R25 При любом, отличном от нуля, падении напряжения на сопротивлении R-jn токового провода 12 напряжение вывода .с нагрузки 13 возрастет ровно на такую же величину. Это происходит потому, что напряжение U через размыкающий контакт ключа 23 и-через высокоомный резистор 26 изменит полярность, не изменяя своего уровня на выходе повторителя напряжения 27. При i этом полярность этого напряжения будет соответствовать полярности опорного напряжения источника 18, а ток, определяемый токозадающим регулируемым резистором 28, будет складываться на входе сравнивающего органа 6 с током, протекающим через резистор 29. Если сопротивления резисторов 25 и 28 при этом равнь, то от дополнительного тока через резистор 28 напряжение в точке с нагрузки 13 возрастет согласно выражению (2) на величину .0. где ли с - приращение напряжения в точке с ; - напряжение в точке d; Rnt, )fj величины сопротивлений резисторов 25 и 28. При этом разность падений напряжений между выводами, с и d остается неизменной. Таким образом любые паения напряжения на токовом проводе 2 нагрузки 13 не изменяют заданного резистора 29 и 25 падения напряжения нанагрузке 13- Регулируемые резисторы 25 и 28 меняют свои значения синхронно при переходе с одного диапазона выходного напряжения на другой, т. е. они имеют столько дискретных значений, сколько имеется диапазонов выходного стабилизированного напряжения. Резистор 29 меняет свои значения плавно или дискретно от цифро-аналогового преобразователя и задает все промежуточные значения выходного стабилизированного напряжения в каждом выбранном диапазоне. В положении ключей 23 и 24 противоположном изображенному на чертеже, двухкаскадный стабилизатор будет находиться е режиме стабилизации тока на дистанционно удаленной нагрузке 13. Отличие принципа работы стабилизатора в данном режиме ог выше, рассмот ранного состоит в том, что ток резистора 29 задающий абсолютное значение тока через нагрузку 13, уравнове шивается на входе сравнивающего орга на 6 током обратной связи не через резистор 25,а через резистор 21, -ко торый подключен к выходу регулятора 8. Падения же напряжения на токовых проводах 9 и 12 и нагрузке 13 добавляется к выходному напряжению регулятора 3, определяемому согласно выражению (2) резисторами R2- И таКИМ же образом, как при учете паден-ия напряжения на токовом проводе 12 в режиме стабилизации напряжения . При этом сопротивление резистора 28 всегда неизменно и равно сопротивлекию резистора Р, а диапазоны токов выбираются необходимым рядом значений диапазонного датчика тока 22, число которых равно числу диапазона стабилизируемых токов нагрузки 13То, что в данном режиме устройство работает как стабилизатор тока, хорошо видно из того, что схема в данном случае стабилизирует напряжение не на нагрузке 13, а на датчике тока 22, А так как его сопротивление строго задано в каждом выбранном диапазоне, то ток протекаемый через него и через последовательно включенную с ним нагрузку 13, так же строго задан. При этом, учитывая малую величину сопротивления датчика тока, фазовый сдвиг между напряжением на нагрузке 13, имеющей реактивный характер, и выходным напряжением регулятора будет близким к нулю. Коэффициент же петли обратной связи, заключенной между точкой е и точкой f (выход регулятора 8), строго равен единице, т.е. ли . ., Эти два обстоятельства (минимального фазовогЬ сдвига петли обратной связи и ее строго нормированного коэффициента на уровне единицы) принципиально отличают схему предлагаемого устройства от схемы известного и обеспечивают устойчивый режим стабилизации тока при реактивном характ ре нагрузок. Данное изобретение обеспечивает широкие диапазоны стабилизации тока и напряжения при любом характере нагрузки. Обеспечивается надежная и независимая от величины и характера нагрузки стабилизация фиксированного падения напряжения на регулирующем элементе второго каскада стабилизации, при этом исключается необходимость в дополнительном, изолированном от общей шины устройства, источнике напряжения смещения. Кроме того, предлагаемый стабилизатор удобен для кодового управления, так как при задании абсолютного уровня стабилизированного выходного тока или напряжения регулируется не потенциал делителя, а ток, линейно зависящий от величины сопротивления одного регулируемого в обоих режимах резистора 29. Следует отметить, что регулироваться может при этом не резистор 29, а величина опорного напряжения источника 18, задаваемая, например, цифро-ангпоговым преобразователем. В данном случае резистор будет иметь постоянное сопротивление а сопротивление 17 питания опорного элемента 16 может быть подключено к одному из источника питания сравнивающих органов 2 и 6. Формула изобретения Двухкаскадный стабилизатор постоянного напряжения,содержащий два стабилизирующих каскада, каждый из которых включает в себя регулирующий элемент, управляющий вход которого подключен к выходу управляющего органа, вход которого подключен КВЫХОДУ сравнивающего органа, источник опорного напряжения, первый -и второй регулируемые резисторы, общая точка которых подключена к входу сравнивающего органа второго стабилизирующего каскада и две пары токовых и потенциальных -проводов для дистанционного подключения нагрузки, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью упрощения стабилизатора и расширения его функциональных возможностей, в нем первый вход сравнивающего органа первого стабилизирующего каскада подключен к средней точке первого введенного резистивного делителя напряжения, включенного между входом регилуриющего элемента второго стабилизирующего каскада и введенным -опорным элементом, одним выводом соединенным через введенный балластный резистор cj

источником опорного напряжения, а, вторым выводом - с общей шиной стабилизатора, второй вход сравнивающего органа первого стабилизирующего каскада, подключен к средней точке вторО го введенного резистивного делителя, включенного между общей шиной стабилизатора и выходом регулирующего элемента второго стабилизирующего каскада, к которому также подключены первый вывод введенного токозадающего резистора, через введенный регулиру емый датчик тока - первый токовый провод для дистанционного подключения нагрузки и замыкающий контакт введенкого первого ключа, второй вывод введенного токозадающего резистора соединен с замыкающим контактом введенного второго ключаj первый потенциаль ный провод для дистанционного подключения нагрузки через введенный третий токозадающий регулируемый резистор и размыкающий контакт введенного второго ключа соединен с общей точкой сравнивающего органа второго стабилизирующего каскада, первого и второго регулируемых токозадающих резисторов второй вывод первого регулируемого токозадающего резистора соединен с выходом введенного инвертирующего повторителя напряжения,инвертирующий вход которого через введенный резистор и размыкающий контакт введенного первого ключа соединен с вторым потенциальным проводом для дистанционного подключения нагрузки, а неин-. вертирующий вход подключен к второму токовому проводу для дистанционного подключения нагрузки, второй вывод второго регулируемого токозадающего резистора подключен к источнику опорного напряжения, полярность которого противоположна полярности выходного напряжения стабилизатора.

Источники информации, . принятые во внимание при экспертизе

2.Авторское свидетельство СССР № 5918tif, кл. G 05 F 1/56, 1976.