Стабилизатор мощности нагрузки

 

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для источников питания газоразрядных и накальных ламп. Сущность изобретения: стабилизатор мощности нагрузки, содержит входные выводы для подключения источника электропитания и выходные выводы для подключения нагрузки, регулирующий орган, включенный между входными и выходными выводами, датчик тока нагрузки с коэффициентом передачи r и датчик напряжения нагрузки с коэффициентом передачи n, включенные в выходной цепи регулятора, источник опорного напряжения U_оп и усилитель рассогласования, выход которого подключен к управляющему входу регулятора, один из входов усилителя рассогласования подключен к источнику опорного напряжения, в котором датчик тока нагрузки и датчик напряжения нагрузки являются датчиками средневыпрямленного значения, а их выводы соединены последовательно и подключены к второму входу усилителя рассогласования. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для источников электропитания газоразрядных и накальных ламп, а также других потребителей энергии, имеющих ограниченный диапазон изменения нагрузки.

Известно устройство для стабилизации мощности нагрузки, содержащее перемножитель сигналов, пропорциональных току и напряжению нагрузки [1] Недостатком известного изобретения является наличие сложного и дорогостоящего перемножителя аналоговых сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее выводы для подключения источника питания, выводы для подключения нагрузки, включенный между ними регулирующий орган, датчик тока нагрузки, датчик напряжения нагрузки, включенные в нагрузочную цепь стабилизатора мощности, орган сравнения, один из входов которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход через узел управления подключен к управляющему входу регулирующего органа, кроме того, известное устройство содержит усилитель с коэффициентом передачи k= где U₁.U₂ диапазон изменения напряжения нагрузки; Р_maкc максимальная мощность нагрузки, сумматор, причем выход датчика тока подключен ко входу усилителя, выход которого соединен с одним из входов сумматора, другой вход которого подключен к выходу датчика напряжения, а выход сумматора соединен с другим входом органа сравнения [2] Недостатком устройства является его сложность из-за наличия сумматора и усилителя, а также невозможность его использования для питания нагрузок переменного тока, а также нагрузок, требующих повышенного напряжения холостого хода, например газоразрядных ламп.

Целью изобретения является упрощение устройства и расширения его функциональных возможностей за счет регулирования мощности без ухудшения относительной погрешности, в том числе для нагрузок, имеющих повышенное напряжение холостого хода и нагрузок переменного тока.

Достигается это тем, что в стабилизаторе мощности нагрузки, содержащем выводы для подключения источника питания, выводы для подключения нагрузки, включенный между ними регулирующий орган, датчик тока нагрузки с коэффициентом передачи r, датчик напряжения нагрузки с коэффициентом передачи n, включенные в нагрузочную цепь стабилизатора мощности, усилитель рассогласования, один из входов которого подключен к одному из выходных выводов источника опорного напряжения, а в качестве датчика тока нагрузки и датчика напряжения нагрузки применены датчики средневыпрямленного значения тока и напряжения соответственно, выходы датчика тока нагрузки и датчика напряжения нагрузки соединены согласно последовательно между собой и встречно последовательно выходам источника опорного напряжения, свободные выводы образованной последовательной цепи подключены к входам усилителя рассогласования, при этом величины r, n и выходного напряжения источника опорного напряжения U_оп при изменении нагрузки в пределах U₁.U₂, или I₁.I₂, или R₁.R₂ определяются из следующих выражений: U₁+U₂, или или 2 или или Кроме того, в целях обеспечения на выходе стабилизатора повышенного напряжения холостого хода, датчик средневыпрямленного напряжения нагрузки снабжен ограничителем его максимального выходного значения U_днmaкс на уровне nU₂<U<U.

Кроме того, для изменения уровня мощности нагрузки, заданной в диапазоне U₁. U₂, в целях сохранения относительной погрешности датчик средневыпрямленного тока нагрузки выполнен с возможностью изменения величины его коэффициента передачи r.

Кроме того, для изменения уровня мощности нагрузки, заданной в диапазоне I₁. I₂, в целях сохранения относительной погрешности датчик средневыпрямленного напряжения нагрузки выполнен с возможностью изменения величины его коэффициента передачи n.

Кроме того, для изменения уровня мощности нагрузки, заданной в диапазоне R₁.R₂, в целях сохранения относительной погрешности источник опорного напряжения выполнен с возможностью изменения величины U_оп.

В отличие от прототипа предлагаемое устройство является более простым и обладает более широкими функциональными возможностями.

Таким образом, перечисленные признаки заявляемого объекта являются существенными, поскольку каждый из них необходим, а их совокупность достаточна для достижения поставленной цели упрощения устройства и расширения его функциональных возможностей.

В режиме непосредственной стабилизации мощности внешняя характеристика стабилизатора мощности должна представлять собой гиперболическую функцию U= Рн/i, где i и U ток и напряжение нагрузки; Р_н стабилизируемое значение мощности нагрузки.

В предлагаемом устройстве используется аппроксимация гиперболической вольт-амперной характеристики на заданном интервале изменения нагрузки линейной функцией вида U= ρ i+U_x, (1) где ρ и U_x коэффициенты аппроксимации, причем U_x численно равно напряжению нагрузки в режиме холостого хода (i=0).

Если нагрузка имеет характер противо-ЭДС (например, газоразрядная лампа) и диапазон ее напряжений ограничен значениями U₁ и U₂, то мощность нагрузки в функции напряжения с учетом (1): P(U) (2) Тогда из условия равенства значений мощности на границах интервала P(U₁)=P(U₂) получаем U_x=U₁+U₂ (3) Максимальному значению мощности согласно (2) соответствует U при этом P_макс= P U²_x/4ρ откуда с учетом (3) получаем:
ρ (4)
На чертеже изображена схема предлагаемого стабилизатора мощности. Устройство содержит выводы 1 для подключения источника питания, выводы 2 для подключения нагрузки, регулирующий орган 3, датчик средневыпрямленного напряжения нагрузки 4, и датчик средневыпрямленного тока нагрузки 5, включенные в нагрузочную цепь стабилизатора мощности, источник опорного напряжения 6 и усилитель рассогласования 7, выход которого подключен к управляющему входу регулирующего органа 3, один из входов усилителя рассогласования 7 подключен к источнику опорного напряжения 6, а другой вход к согласно последовательно соединенным выходам датчиков 4 и 5.

При допущении бесконечного коэффициента усиления усилителя 7, для изображенной схемы имеем U_оп=r˙i+ n˙u, где r коэффициент передачи датчика тока, а n коэффициент передачи датчика напряжения. Разрешая полученное уравнение относительно U и сравнивая с (1), получаем, что параметры схемы должны удовлетворять условиям:
=ρ
U_x,
(5) где ρ и U_x рассчитаны по (3) и (4).

Поскольку для зажигания газоразрядных ламп требуется повышенное напряжение холостого хода, часто превышающее значение U_х, то в этом случае максимальное выходное напряжение датчика напряжения следует ограничивать на уровне nU₂<U<U.

Рассуждая аналогичным образом для токовых нагрузок, заданных в диапазоне I₁.I₂, получаем Р(i)=i(ρ- i+U_x)
U_x= (6)
ρ (7)
Для омических нагрузок, заданных в диапазоне R₁.R₂, имеем
P(R)
U_x= 2 (8)
ρ (9)
Минимальное значение мощности нагрузки (Р_мин) имеет место на границах диапазона изменения нагрузки. Соответственно значение относительной погрешности мощности в этих точках максимально и равно δ_макс= 1
Поскольку согласно (4) Р_макс ≈1/ρ при U_x=const, то регулировать мощность нагрузки, заданной в пределах U₁.U₂, при сохранении относительной погрешности следует путем изменения r (5), тогда δ_макс= 1
Для нагрузки, заданной в пределах I₁.I₂, согласно (6) и (7) Р_макс≈U_x ≈ρ поэтому для сохранения относительной погрешности следует одновременно и пропорционально изменять коэффициенты ρ и U_х, что обеспечивается изменением n (5), тогда δ_макс= 1
Для нагрузки, заданной в пределах R₁.R₂, согласно (8) Р_макс≈ U_x²при ρ const, поэтому здесь мощность регулируют измением U_оп (5),при этом δ_макс= 1
Таким образом, предлагаемые включения приводят к цели упрощению устройства и расширению его функциональных возможностей.

На базе предлагаемого стабилизатора был разработан стабилизатор мощности ксеноновой лампы ДКСШ-250, с диапазоном напряжения нагрузки от 16 до 21 В. Максимальное значение относительной погрешности стабилизации мощности не превышало расчетного и равного 1,83%

Формула изобретения

1. СТАБИЛИЗАТОР МОЩНОСТИ НАГРУЗКИ, содержащий выводы для подключения источника питания, выводы для подключения нагрузки, включенный между ними регулирующий орган, датчик тока нагрузок с коэффициентом передачи r и датчик напряжения нагрузки с коэффициентом передачи n, включенные в нагрузочную цепь стабилизатора, источник опорного напряжения и усилитель рассогласования, выход которого подключен к управляющему входу регулирующего органа, один из входов усилителя рассогласования подключен к одному из выходных выводов источника опорного напряжения, отличающийся тем, что в качестве датчика тока нагрузки и датчика напряжения нагрузки применены датчики средневыпрямленного значения тока и напряжения соответственно, выходы датчика тока нагрузки и датчика напряжения нагрузки соединены согласно последовательно между собой и встречно последовательно выходам источника опорного напряжения, свободные выводы образованной последовательной цепи подключены к входам усилителя рассогласования, при этом величины r, n и выходного напряжения источника опорного напряжения U_оп при изменении нагрузки в пределах V₁ V₂, или I₁ I₂, или R₁ R₂ определяются из следующих выражений:


P_мах максимальная мощность нагрузки.

2. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что датчик средневыпрямленного напряжения нагрузки снабжен ограничителем его максимального выходного значения V_{дн мах} на уровне: n V₂ < V_днмах < V_оп.

3. Стибилизатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что для изменения уровня мощности нагрузки, заданной в диапазоне V₁ V₂, датчик средневыпрямленного тока нагрузки выполнен с возможностью изменения величины r.

4. Стабилизатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для изменения уровня мощности нагрузки, заданной в диапазоне I₁ I₂, датчик средневыпрямленного напряжения нагрузки выполнен с возможностью изменения величины n.

5. Стабилизатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для изменения уровня мощности нагрузки, заданной в диапазоне R₁ R₂, источник опорного напряжения выполнен с возможностью изменения величины V_оп.

РИСУНКИ

Рисунок 1