Стабилизатор постоянного тока
СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА , содержащий включенную в одну из силовых иган последовательную цепь из транзисторного регулирующего элемента и датчика тока, блок управления, вход которого подключен к выходу датчика тока, а выход - к управляющему входу регулирующего элемента, последовательную цепь из шунтирующего резистора и ключевого элемента, подключенную параллельно регулирующему элементу, и узел тгравления ключевым элементом, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных характеристик, в него введено ( К -1) дополнительных последовательных цепей из шунтирующих резисторов и ключевых элементов, подключенных параллельно регулирующему элементу , управляющими входами ключевых элементов соединенных с введенными ( |С -1 ) дополнительными выходами узла управления ключевым элементом, при этом ( N-1 и.,; Ыч М /т - Кр, кэ.макс и кэ, рм ( 1-1 . (koMinpv,;H...(N-(, где Ц - эквивалентное сопротивление 1 -го шунтирующего резистора ; - напряжение на переходе коллектор - эмиттер тран (Л зисторного регулирующего элемента (при i -и ступеС ни переключения); ток нагрузки; максимальное падение напряжения на переходе коллектор - эмиттер транзисторного регулирующего элемента ; l.. вспомогательные коэффици 55 енты; N - количество ступеней переключения . ;л
СОЮЗ СОБЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
PECnVE ËÈН (19) (11) <; 05 Е 1/56
ГОСудж СТНЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОтНРытий
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ элементов соединенных с введенными (К вЂ” 1) дополнительными выходами узла управления ключевым элементом, при этом л П К
КЭ.МОКС! Н КЭ, МаКС! t-1
k,-! — Г! К (кo*1) p (g,1 о
7 где ),!, эквивалентное сопротивление 1 -го шунтирующего резистора; напряжение на переходе коллектор — эмиттер транзисторного регулирующего элемента (при 1 -й ступени переключения); ток нагрузки; максимальное падение на3„ ) o«c пряжения на переходе коллектор — эмиттер транзисторного регулируюгцего элемента; вспомогательные коэффициключения (21) 3627387/24-07 (22) 25.07.83 (46) 07.10.84. Бюл. )!7 37 (72) 10.Н.Шуваев и В. В.Типаев (53) 621.316.722.1(088.8) (56) !. Карпов В.И. Полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения и тока. !1., "Энергия", 1967, с. 56, рис. 37 б.
2. Там же, с.60, рис. 40 б. (54)(57) СТАБИПИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий включенную в одну из силовых шигг последовательную цепь из транзисторного регулирующего элемента и датчика тока, блок управления, вход которого подключен к выходу датчика тока, а выход — к управляющему входу регулирующего элемента, последовательную цепь из шунтирующего резистора и ключевого элемента, подключенную параллельно регулирующему элементу, и узел уггравления ключевым элементом, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных характеристик, в него введено (g — 1) дополнительных последовательных цепей из шунтирующих резисторов и ключевых элементов, подключенных параллельно регулирующему элементу, управляющими входами ключевых енты;
N — количество ступеней пере1117() 1 5
«!Тс бр«тени«г I }ь;сит(т я к ): ек Тро тех Бlfê P и може.. быт!, исп0льэAâ»íO (lpH проектировании сl<) (никон элек—
T POII HTBI1H R ". 1 }« 1 Р() Х}: H I (. C R 0 I (Il PR«! H<)"
ТЛЕКТРОННОй,! IHI»l »ТУ;)l P;i(3ЛИТ(!ОГО
1}{»Ч< }}ИЯ
1I1!<ест< Б «т»били !Б-.< р постол}и!ого ток<3, сод(рж.:(и!иl . Но< ..I(- <0}<» < (Jгь !ый
Ре ГУJIHP>10(öf!é 3...IP ме т, в хоД котОРО го подключен к Бь}х<)ду блока управления I(} с1»бllJfизаторОм, .БхО}(коТОрОГО сОе
JJ H Е P Н С Д ci T Ч И К О М ТО Е< R f f c» Г P V. 1 K И П! УН
TиpуЕощий p(3истор вк)1ю !еннь}й 11àралле»h}fo p(гулирующемv 3:}ементу, Испо:(Ь3nnail}fe шунт}-руюп(с(о резистора
Гозноляе T умень!и}ITü мощ}!о ть потерь
}!а КО}!Лек о;)е ре гули})ó}i и«его лемеH т» !1 }.
Однако у стябилиэ»тора знячитель}Тая велич !}t(! потерь м(ицности а регу- 1(} лирующем элсмент« и, следовательно, больш«1е объе(! и м«асс 1 теп. (ОотRОДЯщих
PaPI}aTCP0} .
11»ибо((в(близким к предлагаемому
ЯБЛЯЕ6ТСЯ СТ !()H 11! !»ТОР tlOC ГОЯННОГO ) тока, содерж»(иий пос:(вдов»тельный р(1 y }Иt) у l<)П ИЙ Э «(ОТ<С::«Т б <1< К «у«t раБЛЕ— ния с- »бил}<з»тором, датчик TO}<» пав
ГР У(}КИ < f1 () 1I ТИР « I)l!!1(fi P(3 HC 1 ОP ) БКЛIО ченньи I!»p i,"ле:.ьHo p»гулиpvMIUpìó зле- 30 м f(Tv ч p(<3 клю:(«ной эле (ее(т, и у»p)I
«1
VII ð» Бл (lти >т к!«ю (с<}!ь! 3}lеме«! то(!
1 с;!О 1»т},оь} т(эвсс гног<) ст1бит(и.»ТОРЯ RR<:R«1 С}«! ОГ«)»Н!(«((«flH«IR БСЗМОЖ
НОС ГЬ Д»т!ЬИ« t."IIIP: 0 Ct{ 46 тор;}:nc1оя:".1«)l о «>к», ll0cò»IlJi(i}I}!»«i !I«J(ь постигается тем, ч т 0 Б c T» 0, 11:I и э (1 т о р 1 О с 1 О я и н 0 Г 0 т О к а, СОД(. Pжашlfй Ь r I«ОЧ (. «I(f1 VI<) ЕТ ОДЕ«.У И 3 СИ «Е ЛОНЫХ ШИН (.OC !ЕЦОВ»ТЕ:1},НУ}О т(ЕПЬ ИЭ транзистор}(ог0 регулиру}ощеl о элемент» и датчик ток», блок управлсеп}, Б Х ОД К O T 0 P< ) Г О ((0 Д КЛ<}О Ч (f! К в(ИХ ОД }« датчика тока, » Iif>ixo!(— к управляющсму входу регулирующего элемента, последонательную цег(ь из шунтирующего резистора и ключевсго элемента, подключенную параллельно регулиру}ощему элементу„ и узел управ IEHHÿ кг(ючевь(м элементом„ введено (Х вЂ !) дополнитель- 5 ных последовательных цепей из и(унтиру ющих резисторов и к:(ючсн! (х элементов, ((одключ«}(}г(!х п»раллельно pp I vJ Hpóþill(. l lV )}1< Ьl« ff У ) "((РЯ БЛЯЮЩI .МИ ВХОД«}Ы«( ключевых эл(ментон соединенных с ББ с. Д «1((!}
}(ами узла у!!р»вления клн)чень(м элементом. 1(ри этом 1,, ! "кз л<дко «}< 1 «-1 4 о (о ") "Р" 1. 1,}1 где ш, эквива)(евтное сопротивление (-го шунтирующего резистора; Uf<- — напряжение на переходе коллектор — эмиттер транзисторного регулирующего « элемента (, г(ри < -й ступени переключения Т 1 — ток Ilàãðóçêè; 1.!хэчо, — максимальное напряжение ня переходе коллектор эмиттер транзисторного регулирующего элемента; — i -й Бег(ОБ}огателе ные коэффициенты; }! А — кол}..честно ступеней переключения. 11» чертеже представлена функциональн»я схема <(табилиэатора постоянного тока, Г :таэилизатор IlocTÎRHHQI тока соДЕРжнт т(ОСЛЕДонатЕЛЬНЫй ТР»НЭИСТОРНЫй ре гулир J}ufz(Ii1 элемент !, управляющий Б ХОД КОТОPOГО f1ÎÄ}(1}()×(Н }1 ?}Ы)«ОДУ блока 2 унр»влсния, вход которого со Е,<( Стабилизатор содержит также ключевые элементы 7 и шунтирующие резисторы 8 и 9, которые соединены попарно последов»те;1}.но и подключены параллельно регулирующему элементу 1, каждый ключевой элемент 7 включен параллельно шунтирующему резистору 9. 11араллельно кR}<)«pt}ovy элементу 5 также включен шун1ирующий резистор 9, 11итание стабилизатора постоянного тока осуществляется от силового источника питания с напряжениемц Стабилизатор постоянного тока работает следующим образом. Напряжение, пропорциональное току нагрузки стабилизатора, с датчика 3 тока поступает на вход блока 2 управ,ления, с выхода которого управляющий 1117615 сигнал подается на управляющий вход регулирующего элемента 1. Часть тока нагрузки протекает через регулирующий элемент 1, а другая часть — через шунтирующие резисторы 4 и 8 и те шун- 5 тирующие резисторы 9, которые в данный момент не закорочены ключевыми элементами 5 или 7. Напряжение с регулирующего элемента 1 подается на узел управления ключевым элементом 6, н котором вырабатываются команды на включение или выключение некоторого числа ключевых элементов 5,7 и, следовательно, эакорачивание подключенных к ним шун- 1 тированных резисторов 9, что соответствует -й ступени переключения. Зквиналентное сопротивление всех шунтируащих резисторов, включенных параллельно регулирующему элементу При -й ступени переключения, равно R,„° . При изменении по какой-либо причине, например при изменении питающего напряжения 0 як, тока нагрузки стабилизатора, изменяется сигнал обратной связи, подаваемый с датчика 3 тока на вход блока 3 управления, в результате чего изменяется напряжение на регулирующем элементе l таким образом, чтобы скомпенсировать указанное изменение тока нагрузки стабилизатора. При этом, в зависимости от величины напряжения на регулирующем элементе 1, узлом 6 управления с помощью ключевых элементов 5 и 7 зако- 35 рачивается часть шунтирующих резисторов 9 и эквивалентное сопротивление шунтирующих резисторов устанавливается такой величины, чтобы мощность рассеяния на регулирующем элементе 40 была минимально возможной при данном напряжении коллектор — эмиттер регулирующего элемента 1. Отношение эквивалентного сопротивпения g),), шунтирующих резисторов 4, 8 и 9 при соответствующей коммутации к ключевых элементов 5 и 7 и напряжения коллектор — эмиттер регулирующего элемента 1!1, при которых узлом 6 управления производится ком- 50 мутация k ключевых элементов 5 и 7 для получения Й ступеней переключения, к их максимальному значению определяют по формулам 1 =1 П Kl ) К =! (2) 1=0 при < =1...(N -1), где 0 кэ ма„ вЂ” максимальное напряжение на регулирующем элементе; К,КP,Ка — вспомогательные коэффициенты. Для доказательства соотношений (!) и (2) приведем их вывод. 11ощность, выделяемая на регулирующем элементе, в любой точке диапазо. на регулирования ранна Исследуя уравнение (3) на экстремум, получаем формулы для расчета максимального значения мощности Р р при одной ступени переключения (некоммутируемый шунтирующий резистор) Р =Р j„ 2/ (4) и максимально допустимого эквивалентного сопротивления шунтирующего,резистора, при котором ток шунта равен току нагрузки стабилизатора при максимальном напряжении коллектор эмиттер регулирующего элемента 1: R = U )) .) н (5) Введя N ступеней переключения, можно уменьшить величину шунтирующего дok, так, чтобы максимальная мощность, выделяющаяся на регулирующем элементе 1 на -й ступени переключения, была равна максимальной мощности, выделяющейся на первой ступени переключения, т.е. P — максимальное значение мощTi ности на -й ступени переключения. где Значение P определяется из усло» т вия равенства нулю тока регулирующе— го элемента н момент переключения. Учитывая то, что непосредственно перед переключением с (!. +1)-й ступени на -ю напряжение на регулирующем элементе равно (!ко!, а эквивалентное сопротивление шунтирующих резисторов равно Ка (с + 1), максимальная мощность на 1 -й ступени переключения равна 1(12615 ) ,- jj 7 ) () б «) 3 н а:1 с валентj!=j): cp(112c-, и(-11! : н .(й:", . c c с-.дних ступенях::ерех! )«(е!fi.i;f .,,, : c.Ej,cï;c-пие напря ";i- )(й н; ре :--,ч) -.!-,,:!! (!:,:.,) э (емpнтe при т-"." (е c уi!(Нях. (!г ) !3),)ю „"-ения кQ эффиц:: ел то! ((О ) 1, О к„,(,, 1 (,,()!": (Я) 3 . -.(О " !! Оюе)! «И(;: . . ; )!ы между сОбо1;, "K как:.I cò3áE!JII«3(О:,)- !)KP),=„"Q))Qg ДлЯ )«О)(н ° » .. !-"f!r !)",, зО,. . ((() )-!(ОСт У)«ЕН(,(!!P!(1!i! Ej" (HOC j 1! Н;.) (J(«(К)ЩЕИСЯ EIB. ре г ул l fp у",)щс «i 3 Jl к(е! .. . (I c ре кл10ч р ниp.. c T y II P jей i().!f :i.) (Jc У!i! « : I«, 1;i т«>cR B «."0- -0 мен ": а-, !(,) I !1(я ре, у )! p .)!J(f!е! д Jlp!!е I Га .:!! 1 —:!;) CIIP, В Е;) Ч,:Н!> . Оотноэ!Е((,qP )(, () ;;1! "Ы:, О ) )) !! i ) (! (,(: =(! j 3! !«З ))(с« ); r 45 максимальное эквивалентгде („„м ное сопротивление шунтирующих резисторов при всех разомкнутых ключевых элементах R, ы мо«)(с "кз мо ((с t h (12) Выражения (10) и (11) могут быть записаны в общем виде одной формулой () ()): (j !(3 j ((-1 =Г7Кр " Э М,О):() H (((СЭ,,ЩОРС t при 4 =), . (i! — () (о ) / 1-,, Р(; q!!CНЕ()ИЯ () («О!)II JI3P ) С За коно;««!.131.;P)1å1!Ня (.. „„,. 1!а Основании выражен!. я (8J «о(уi «ы! )-..)Олучены соо (но(;:» н;)я дл,-; любе-. о эквивалентно-. ГО СО!",P!JJ —,;ЗВ -!P111!Я j!, Нти) УЮЩ! IХ P!3311СТQ» ров !=. любо;--r на),; ря,;3 1;!j = 1(а ре pулиру- 3() ЮщЕ«,; - ).; . Е );- . )) Р1(ХО От)О)! ПРОИЗ ВО Э 1 i формула идентична с ранее IlpI(jjp денной (1), Выведем общую формулу для расчета коэффициентов к, Подставляя выражение (7) в (6), учитывая соотноюеш(я (8 ) — (12) и выполнив необходггмые преобразования, получаем 2 (j ()) мак 3 N-1 М-2 (U Д k К кэ)(Окс Ч " (! (-2.« ° ((() После упрощения формулы (13) попучаем 1 E(-« 4 «!" (()(1( (14) После несложных упрощений получа1 ем Общую формулу для « -го вспомогательного оэффициента (,«1 =1 — - -.!"1 (." 1= (,",=1), I =1„, ((4-<1 с ранее приведенной 1(аllример, 1 ;, 2 =1--, k =0,8125, что со впадае 2 ои !2) . формул =! —— /, «. („=0,75 =1--К v =0 8477 К =1--k 1д =0 8 708 1 1 « "2 4 4«2з 1.l т, д 1Н1 Основаш.и соотнопений между эквивалентна!ми сопротивлениями любыI".3 сстнымн )dp«тодами производится ныб(кр и:у((тиэующих резисторов 4,8 и 9 i () Со)противления резисторов 4 и 0),I(,- RqI могут быт(-. выбраны рав((ыми меж1!У собой, т.e. ((« = R2 = g = t Rw«, «1 сопрОтивления резистОрОв 9 ()(4 - Я 6 1 в этом случае дог(жны быть рассчитаны с учетом соотноп(ений (1) и (2 ) . На). пример, при k =2 формулы для расчета шунтирующих резисторов 14- (4 имеют следующий вид: « 2 (Ш« 1 4хы«(Rwq (ы11 3 2-Оы («ы 4 R„(Rw,-R«i 2Р(,« - R щ, !17) При выборе щунтирующих резисторов в соответствии с формулами (15) — (17) реальные эквивалентные сопротивления отличаются не более чем на 57 от эквивалентных сопротивлений, вычисленных по формулам (1) и (2j, что вполне приемлемо. 1117615 М=З, т.е. при (( выделяющаяся на =4 и 1(=8 моин(ость, регулирующем элеменсоответственно в к:(ючевь(х элеy ((( Я ступеней перек ((«e((((я, мощность, выделяющаяся (га регулирующем элементе, уменьшается в М раз по сравнению со стабилизатором тока с некоммути— руемым шунтом (11 =1 } . Коэ1фиг(иe!(z М oïределяетcë сoо п(ошением те, уменьшается 1,9 и 3 раза.. ВН1(ИТ1И "à êàç 7219/32 Тираж 841 до писяге K1ород ул Hpoez sas, 4 го ((1 (1 ((=-" Рго(11апр;(мер, при быть реализовано элементами (К=2) (.(,мс(с (18) Ч =4, что может двумя клю«с!(ь(ми М=1,9; (Ip(1 N =8 В предлагаемой схеме использование Я ступеней переключения, что реализуется К ключевыми элементами v. 2К I шунтирующими резисторами, обеспечивается существенное снижение величины максимальной мощности, выделяющейся на регулирующем элементе, и, следовательно, уменьшение объема и массы стабилизатора постоянг(ог о тока.
