Пьезополупроводниковый стабилизатор напряжения

 

Изобретение относится к стабилизированным источникам питания. Целью изобретения является повышение устойчивости функционирования в режиме максимальной токовой нагрузки и быстродействия пьезополупроводникового стабилизатора напряжения. Цель достигается тем, что под действием управляющего напряжения с генератора 13 на вход частотно-задающего генератора (ЧГ) 1 вырабатываются импульсы с изменяющейся частотой. Эти импульсы через формирователь 2 и усилитель 3 мощности поступают на пьезотрансформатор (ПТ) 4. Напряжение с ПТ 4 через усилитель 22 и диоды 20 и 21 поступает на вход дифференциального усилителя (ДУ) 16, на инвертирующий вход которого подано напряжение смещения с интегратора 6. В момент прохождения максимума резонансной кривой ПТ 4 на выходе ДУ 16 появляется 1, что соответствует установке в ЧГ 1 резонансной частоты. При достижении вьпсодного напряжения уровня опорного напряжения источника 12. на выходе интегра тора 6 формируется 1. При этом ДУ Гб обнуляется , а к управлякщему входу ЧГ 1 подается сигнал управления, осуществляющий стабилизацию выходного напряж;ения. 2 3. п. ф-лы, 3 ил. i (/ С 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (111

1511 4 Н 02 M 3/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3784667/24-07 (22) 21.08.84 (46) 30.06.86. Бюл.. Р 24 (?2) Г.А.Данов, В.Н.Фролов и Ю.Л.Спирин (53) 621.3 16.722.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР и 800974, кл. С 05 F 1/56, 1979.

Авторское свидетельство СССР

Ф 983689, кл. G 05 F 1/64, 1981. (54) ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к стабилизированным источникам питания. Целью изобретения является повышение устой— чивости функционирования в режиме максимальной токовой нагрузки и быстродействия пьезополупроводникового стабилизатора напряжения. Цель достигается тем, что под действием управляющего напряжения с генератора 13 на вход частотно — задающего генератора (ЧГ) 1 вырабатываются импульсы с изменяющейся частотой. Эти импульсы через формирователь 2 и усилитель 3. мощности поступают на пьезотрансформатор (ПТ) 4. Напряжение с ПТ 4 через усилитель 22 и диоды 20 и 21 поступает на вход дифференциального усилителя (ДУ) 16, на инвертирующий вход которого подано напряжение смещения с интегратора 6. В момент прохождения максимума .резонансной кривой ПТ 4 на выходе ДУ 16 появляется "1". что соответствует установке в ЧГ 1 резонансной частоты. При достижении выходного напряжения уровня опорного напряжения источника 12 на выходе интегратора 6 формируется "1". При этом ДУ 16 обнуляется, а к управляющему входу ЧГ 1 подается сигнал управления, осуществляющий стабилизацию выходного напряЖения. 2 з. и. ф — лы, 3 ил.

124136

20 полненный на основе операционного уси—

40 сивный счетчик 27 импульсов, инвертор 28 „ э,пемент И 29 и резистивную матрицу ЗО.

Генератор 25 пачки импульсов в часгном случае состоит из последовательно включенных пьезоэлектрического резонатора, образованного двумя электродами, расположенными на противоположных поверхностях выходной секции пьезотрансформаторного элемента 4;параллельных вектору поляризации, полосового фильтра и порогового элемента.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использо— вания в системах вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

Целью изобретения является повышение устойчивости функционирования в режиме максимальной токовой нагрузки и быстродействия.

На фиг.1 представлена функциональная схема предложенного пьезополупроводникового стабилизатора напряжения, на фиг.2 — функциональная схема генератора ступенчатых сигналов в случае его реализации с контуром обратной связи, на фиг.3 — частотные зависимости выходного напряжения и нагрузочного тока, иллюстрирующие работу устройства.

Пьезополупроводниковый стабилизатор напряжения (фиг.1) содержит частотозадающий генератор 1, формирователь 2 импульсов (счетный триггер), усилитель 3 мощности, пьезотрансформаторный элемент 4, выпрямитель и фильтр, условно объединенные в узел

5, интегратор 6 сигнала ошибки, вылителя 7 с интегрирующим конденсатором 8 в цепи отрицательной обратной связи, регулировочный потенциометр 9, делитель 10 напряжения, ограничительный резистор 11, источник 12 опорного напряжения, генератор 13 ступенчатых сигналов, прямосмещенные развязывающие диоды 14 и l5, дифференциальный усилитель 16, вспомогательные конденсаторы 17 и 18, обратносмещенные развязывающие диоды 19-21, линейный уси.литель 22, выходную потенциальную шину 23 и шину 24 нулевого потенциала.

Генератор 13 ступенчатых сигналов при его реализации с контуром обратной связи в виде дополнительного ге— нератора 25 пачки импульсов (фиг.2) включает тактовый генератор 26, реверЧастотозадающий генератор 1, формирователь 2 импульсов, усилитель 3

10 мощности, пьеэотрансформаторный эле— мент 4 к выпрямитель — фильтр 5 вклк—

Ipны последовательно. Выходной потен.циальный вывод узла 5 соединен с. Bbt ходной потенциальной шиной 23 стабилизатора. Регулкровочный потенцкометр

9 крайними выводами включен между выходом источника 12 опорного напряжения и инвертирующим входом операционного усилителя 7 интегратора 6. Ограничительный резистор 11 включен между выходной потенциальной шиной 23 стабилизатора и средним выводом pery— лировочного потенциометра 9. Деллтел-.

10 напряжения входом соединен с выходом источника 12 опорного напряжения, а выходом — с неинвертирующим входом операционного усилителя 7 интегратора

6. Вход генератора 13 ступенчатых сигналов подключен к выходу дифференциального усилителя 16. Вход линейного усилителя 22 соединен с выходом пьезотрансформаторного элемента 4.

Инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя 16 через обратносмещенные развязывающие диоды 20 и 21 соответственно с большим и меньшим по величине напряжения11 1 ми пятки подключены к выходу линейного усилителя 22. Выходы интегратора 6 и генератора 13 ступенчатых сиг-. налов через прямосмещенные развязывающие диоды 14 и 15 соответственно с большим и меньшим по величине напря>кениями пятки" соединены с входом частотозадающего генератора 1. Обратносмещенный развязывающий диод 19 включен между выходом интегратора 6 и инвертирующим входом дифференциального усилителя 16, а вспомогательные конденсаторы 17 и 18 — параллельно соответствующим входам последнего.

Устройство работает следующим образом.

Прк подаче питающего напряжения, когда выходное напряжение пьезотрансформаторного элемента 4 минимально и напряженке обратной связи, поступающее через резистор 11 и потенциометр

9 к инверткрующему входу интегратора.

6, близко:< нулю„ на выходе операционного усилителя 7 устанавливается минимальное напряжение (к неинвертирую-. щему входу приложено большее напряжение, поступающее через делитель 10 о-. источника 12 опорного напряженкя,.чем к инвертнрующему входу). При этом перестройка частотозадаюшего генерато1241369 ра 1 воздействием интегратора 6 блокируется напряжением "пятки" диода 14 и практически незначительна. В этом режиме частотозадающий генератор 1 уп— равляется генератором 13 ступенчатых сигналов.

На фиг.3 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) пьезотрансфарматорного элемента 4 в зависимости от тока l„, протекающего в нагруз10 ке стабилизатора. Из представленного графика видно, что резонансная характеристика пьезотрансформатарнаго элемента 4 значительно изменяется, а резонансная частота fp принимает мини- 15 мальное значение Е„ (режим короткого замыкания) при максимальном токе нагрузки и максимальное значение f (режим холостого кода) при минимальном токе нагрузки. В стационарном ре- 20 жиме стабилизатора рабочая частота выбирается на левом склоне АЧХ и пав ходится несколько левее f„„ . Поскольку в режиме максимальной токовой нагрузки выходное напряжение довольно 25 мало, оно усиливается линейным усилителем 22. В это время генератор 13 ступенчатых сигналов работает в авто— колебательном режиме и на управляющий вход частотозадающего генератора 1 поЗ0 ступает линейно изменяющееся напряжение ступенчатой формы. Величина и длительность ступеньки определяется периодом следования тактовых импульсов Т, выбирается заранее в зависни

35 мости от исходных параметров пьезотрансформаторного элемента 4 и не препревьппаеш обычно 10 периодов резонансной частоты. Длительность Тр пилообразных импульсов генератора 13 также задается заранее, исходя из электро. 40 физических свойств материала пьезотрансформаторного элемента 4, причем

Тр а 10Я Тп, где Q„ — механическая добротность пьезотрансформаторного элемента 4.

Под действием управляющего напряжения, поступающего с выхода генератора 13 на вход частотозадающего генератора 1, на выходе последнего дис- 50 кретно изменяется частота следования импульсов в соответствии с крутизной управления от значения f до f

Мнк макс

Импульсы напряжения с изменяющейся частотой (в данном слуЧае с возраста- 55 ющей) поступают на вход формирователя

2, где они симметрируются скважностью, равной двум, для исключения зависимости рабаты устройства ат биений по скважности импульсов частотозадающего генератора 1, а затем подаются на вход усилителя 3 мощности. Под дейст— вием импульсного входного напряжения на частоте, близкой к f„, на выходе пьезотрансформатарного элемента 4 генерируется небал -шое напряжение, но с минимально возможным нагрузочным током. Одновременно напряжение с выхода пьезотрансформаторного элемента

4 поступает на вход линейного усилителя 22 и после него через диоды 20 и 21 — на входы дифференциального усилителя 16. Поскольку на инвертирующий вход дифференциального усилителя 16 подана небольшое напряжение смещения с выхода интегратора 6, а на неинвертирующем входе напряжение равно нулю, на выходе дифференциального усилителя 16 оно также равно нулю или соответствует уровню логического нуля.

Ввиду того, чта емкость конденсатора, 17 ьыбрана меньшей, чем емкость конденсатора 18, заряд конденсатора 17 протекает несколько быстрее при прохождении первого склона АЧХ пьезотрансформаторного элемента 4. При этом с выхода дифференциального усилителя

16 на управляющий вход генератора 13 ступенчатых сигналов поступает напряжение логического нуля и продолжается линейное управление частотозадающим генератором i.

В момент прохождения максимума резонансной кривой пьезотран форматорного элемента 4, что соответствует

f >, или несколько правее ее величины напряжений на конденсаторах 17 и 18 выравниваются и в некоторый момент напряжение на неинвертирующем входе дифференциального усилителя 16 становится больше, чем на инвертирующем. В этот момент времени на выходе дифференциального усилителя 16 появляется напряжение, соответствующее единице, которое поступает на вход разрешения прямого счета генератора

13 ступенчатых сигналов, на выходе которого фиксируется заданный уровень управляющего напряжения. Это соответствует установке в частотозадающем генераторе 1 частоты f = f пьезоР трансформаторного элемента 4. По ме- . ре работы стабилизатора на установленной частоте f = f„мток в нагрузке .уменьшается, при этом одновременно происходит разряд конденсаторов 17 и

9 12413

18. Поскольку емкость конденсатора 18 выбрана большей емкости конденсатора

17, напряжение на инвертирующем входе дифференциального усилителя 16 уменьшается быстрее, усилитель 16 перебрасывается в исходное состояние и начинается новый процесс определения и . установки резонансной частоты. При достижении амплитуды выходного напряжения часть ега, поступающая через 10 элементы 11 и 9 на инвертирующий вход операционного усилителя .7 интегратора

6, достигает уровня компенсации опорного напряжения от источника 12. На выходе интегратора 6 формируется на- 15 пряжение, соответствующее логической единице, которое подводится к инвертирующему входу дифференциального усиусилителя 16, обнуляя его, а также к управляющему входу частотозадающего 20 генератора 1. Дальнейшая работа стабилизатора осуществляется обычным образом в стационарном режиме, когда имеет место частотный сигнал стабилизации. Диод 15 блокирует процесс раэ- >> ряда частотозадающега конденсатора в генераторе 1. Диод 19 прег<ятствует разрядку конденсатора 17 через выходные цепи операционного усилителя 7 интегратора 6. Интегрирующий конден- ;0 сатар 8 обеспечивает устойчивость функционирования ин;гегратара 6. Емкость интегрирующего конденсатора 8 в данном устройстве значительно уменьшена, так как функцию поиска резонансной частоты вь<по,ъняет генератор 13 ступенчатых сигналов.

При выполнении генератора 13 ступенчатых сигналов с контуром обратной

40 связи в виде дополнительного генератора 25 пачки импульсов работа стабилизатора происходит аналогично ранее описанному, за исключением обратной перестройки частотозадающего генератора 1, необходимой для более точн< и настройки устройства в резонанс и обеспечения слежения за максимумам

АЧХ пьезотрансформатарного элемента

Генератор 25 пачки импульсов при

0 формировании сигнала логической единицы на выходе дифференциального усиг<ителя 16 генерирует импульсную г=аследовательность, которая привад<т к обратной перестройке генератора i3 ступенчатых сигналов. Эта позво<пяет скомпенсировать задержку отрабатывания дифференциального усилителя 16 при совпадении уровней напряжения на

69 Ь конденсаторах 17 и 18 и исключить переход устройства на энергетически не" выгодный правый склон АЧХ. 1акн<; образом, генератор 25 образует дополнительное звено обратной связи, которое г<репятствует переходу на правый склок

АЧХ, существенно увеличивает быстродействие и КПД устройства. Введение генератора 25 существенно повышает также надежность стабилизатора, поскольку в данном случае обеспечивается слежение за максимумом АЧХ пьезатрансформатарнаго элемента 4. Количество импульсов в пачке определяется быстродействием дифференциальнагс. усилителя 16 и шагом изменения частоты частотозадающего генератора : при воздействии одиночного перепада на" пряжения генератора 13 ступенчатых сигналов и обычно равно 1-3.

Отмеченные ранее ограничения: на напряжения "пятки" диодов 14 и 15., апределяюшие различия в паде.пи напряжений на диодах при заданном г;-.римом токе, предназначены для повышения .очности динамической характеь =".:ики,, Это обусловлено тем, чта укаэакное с граничение абес;.:ечивает приоритет в перестройке частстозадающего генератора 1 инте ватару 6, что позвал;-:.ег исг",лючитb- эффект перерег-;ли;,;;а"::">. <:-. вьг.. де устройства. Эта име ;.- ..с, когда момент времени отработки пнт.=. " гратора 6 совпадает с мс::, .нтом вре;:е-. ни формирования .ступеньки импульсов генератором 13. Ограничения позволяют обеспечить задержку формирования указанной ступеньки до выдачи запрещенного сигнала по каналу интегратор

6 — диод 19 — дифференциальный усили-тель 16 — генератор 13 при- отработке сшибки интегратором 6. Отмеченные ра-, нее ограничения на напряжения пятки диодов 20 и 21 обеспечивают надежный выхoq стабилизатора на раба: режж<. В момент прохождения максимума АЧХ пьезатрансформатарного элемента 4 величина напряжения на конденс-.òñðå 17 за счет указанньгх ограничений остается несколько большей напряжения на конденсаторе 18. Затем вследствие вых< qа на правый склон АЧХ прои=ходит разряд канценсатсрав 17 и 18. Так как ра:-:,рчд канденса-.ора,7 происходит бытрее, чем конденсатора 18 через .".,екаторое время, определяемое пасто>:.нпой времени разряда и разницей ч напряжениях "пятки" диодов 20 и 21, происходит совпадение напряжений на кон1241369 денсаторах 17 и 18, что фиксируется дифференциальным усилителем 16 и вызывает фиксацию текущего уров»я »апряжения генератора 13 ступе»чатых сигналов (останов поиска резонансной час-5 таты). Постоянные времени разряда конденсаторов 17 и 18 определяются величиной и добротностью паразитных пиков на АЧХ пъезотрансформаторного элемента 4, а также скоростью прокачки час- 10 таты .частотозадающим генератором i, Работа генератора 25 пачки импуль— сов заключается в следующем. Передний фронт сигнала с выхода дифференциального усилителя 16, формирующийся при 15 совпадении сигналов на конденсаторах

17 и 18, ударно возбуждает пьезоэлектрический резонатор. Сигнал на его выходе оказывается синхронизированным с входным сигналом вследствие парамет- О рического взаимодействия. Выбор порога срабатывания порогового элемента обеспечивает управпение.количеством импульсов в пачке.

Работа генератора 13 ступенчатых 25 сигналов в случае его выполнения па фиг.2 заключается в следующем. При нулевом уровне сигнала на входе инвертора 28 на его выходе действует уро. вень лотической единицы, который раз- 30 решает прохождение импульсов от тактового генератора 26 через элемент И

29 на вход прямого счета реверсивного счетчика 27. При единичном уровне сип— нала на входе инвертора 28 на его выходе действует уровень логического нуля, который блокирует прохождение тактовых импульсов через элемент И

29. При этом текущий уровень аналогичного сигнала резистивной матрицы

30 фиксируется, а импульсы подаются на вход обратного счета реверсивного счетчика 27.

Предложенное устройство может устойчиво функционировать в широком ди- 45 апазоне токовой чагрузки — от режима короткого замыкания до холостого хода. Время реакции устройства на кратковременные возмущения в нагрузке не превышает 1 мс. l:ормулаиз обретения

1. Пьезополуправодниковый стабилизатор напряжения, содержащий частота.;адающий генератор, последовательно включенные усилитель мощности, пьезотрансформатарный элемент, выпрямитель и фильтр, выходной потенциальный вы— вод которого соепи»е» с вы.:одной поте»циальнай шиной стабилизатора, ка»ал обратной связи с интегратором сигнала ошибки, выполнен»ым на основе операционного усн-ителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен интегрирующий конденсатор, регулиравочным TIoTp»IJèîìåòðîì, включенным крайними выводами между выходом источника опорного напряжения и инвертнрующим входом операционного усилителя интегратора, ограничительным резистором. включенным между, выходной потенциальной шиной стабилизатора и средним выводом регулировочнога потенциометра, делителем напряжения, соединенным входом с выходом источника опор»ого напряжения, а выходом — с неинвертирующим входом операционного усилителя интегратора,о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения устоичивасти функционирования в режиме максимальной токовой нагрузкии быстродействия. в него введены формирователь импульсов, генератор ступенчатых сигналов, дифференциальный усилитель, линейный усилитель, два вспомогательных конденсатора и пять развязывающих диодов, причем формирователь импульсов включен между выходом частотозадающего генератора и входом усилителя мощности, вход генератора ступенчатых си »алов подключен к выходу дифференциального усилителя, вход линейного усилителя соединен с выходом пьезо— трансформаторного эле;. ента, инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя через обратносмещенные первый и второй развязывающие диоды соответственно с большим и меньшим по величине напряжениями пятки подключены к выходу линейного усилителя, выходы интегратора и генератора ступенчатых сигналов через прямасмещенные третий и четвертый развязывающие диоды соответственно с большим и меньшим по величине напряжениями "пятки" соединены с входом частотозадающего генератора, обратносмещенный пятый развязывающий диод включен между выходом интегратора и инвертирующим входом дифференциального усилителя, а вспомогательные конденсаторы — параллельно соответствующим входам последнего.

2. Стабилизатор па и.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что генератор ступенчатых сигналов выполнен с кон1241369

10 туром обратной связи в виде дополнительного генератора пачки импульсов. та.

Дауд фД 2 / ./ Jg 40 ууд / Alp

4т Р я я

Составитель Л:.Морозов

Техред 0 .Сопко Корректор М.Демчик

Редактор И.Рыбченко

Заказ 3607/50 Тираж 631 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рзуыская наб., д. 4/S

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

3. Стабилизатор по пп.1 и 2, о тл и ч а ю шийся тем, что генератор пачки импульсов состоит из последовательно включенных пьезоэлек рического резонатора, образованного электродами, расположенными на про -::-. воположных поверхностях выходной :., «вЂ” ции пьезотрансформаторного э.лемент», параллельных вектору поляризации, полосового фильтра и порогового элеме:;;—