Двухкаскадный стабилизатор постоянного напряжения

 

ОП ИСАНИЕ „„

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6I ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 15. 05. 81 (21). 3288253/24 07 (51)M. Кл.

G 05 F 1/56 с присоединением заявки №вЂ”

9куднрстеанный комитет

CCCP но делам нза4ретеннй н отнрытнй (23) Приоритет

Опубликовано 07. 1 О -82. Бюллетень № 37 (53) УДК, 621.316 .722.1(088.8) Дата опубликования описания 07. 1О;82

I (72) Авторы изобретения

Н. А. Козвонин и А. 5. Потапенк (7l) Заявитель

Куйбышевский электротехнический инст (54) двухкА(КАдный стАБилизАтоР постоянного

НАПРЯЖЕНИЯ1

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

Известен двухкаскадный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий два стабилизирующих. каскада с регулирующими элементами, сравнивающими и управляющими органами, источником опорного напряжения и источником напряжения смещения (1 ).

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 постоян. ного напряжения, содержащий два .ста- го билизирующих каскада, каждый из которых состоит из регулирующего элемента, сравнивающего органа, входом соединенного с выходными выводами, 2 а выходом - с входом управляющего органа, выход которого подключен к управляющему входу рег ул и рующе го элемента, общий источник опорного напряжения, подключенный к входу сравнивающего органа второrо стабилизирующего каскада, .и источник напряжения смещейия, 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 органа 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 каска(да (2) .

3 96460

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 1о вспомогательного источника напряже ний, выпрямителя, фильтра и стабилизатора. Кроме того, непосредственное подключение на входы сравнивающего органа первого стабилизирующего каскада выходных напряжений регулирующих элементов, уровни напряженйй которых могут меняться в широком динамическом диапазоне и достигать значений сотен вольт, технически трудно щ реализуемо, так как в качестве сравнивающих органов используются интегральные операционные усилители или компараторы, максимальное входное синфазное напряжение у которых не превы-д шает нескольких десятков вольт, Регулирование величины выходного

;напряжений -в схеме известного стабилизатора путем изменений сопротивлений потенциометрического делителя, подключенного к выходным полюсам устс роиства, неудобно для реализации кодового управления выходным напряжением, так как это требует .набора резисторов с номинальным рядом, отличным зз от широкораспространенного в цифровой технике ряда, соответствующего коду

1-2 — 4-8.

Регулирование величины выходного тока стабилизатора путем изменения одного из резисторов того же потенциометрического делителя вбзможно только для малых значений стабилизируемых токов. Это объясняется тем, что в режиме стабилизации тока данный резистор потенциаметрического делителя выполняет роль датчика тока, и его сопротивление, как правило, выбирают значительно меньшим величины нагрузки. Поэтому для выполнения режимов стабилизации напряжения и тоS0 ка в широком динамическом диапазоне в схеме стабилизатора вышеуказанный регулируемый резистор должен для каждого режима иметь свое номинальное значение. Кроме того, подключение нагрузки в режиме стабилизации тока к выходному полюсу устройства последовательно с датчиком тока и соеди4 4 нение 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 така 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 протекающим через нее током (+90о для индуктивности, -90о для емкости). С другой стороны, коэффициент усиления петли обратной связи, заключенной между общей точкой нагрузки с датчиком то"ка и выходным полюсом стабилизатора, должен быть тем больше единицы, чем выше коэффициент стабилизации. Нали-. чие в петле обратной связи частотно зависимых элементов при коэффициенте усиления большем единицы, создаст все необходимые условия для самовозбуждения второго каскада стабилизации .тока при реактивном характере нагрузки, Целью изобретения является упрощение схемы стабилизации падения напряжения на регулирующем элементе стабилизатора, и расширение 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 стабили5 964604 6 затор, торои вход сравнивающего . к входу регулирующего элемента 8 органа..первого стабилизирующего кас- а вторым - к опорному элементу 16 и када подключен к средней точке второ- балластному резистору 17. При этом го введенного резистивного делителя, общая точка резисторов подключена включенного между общей шиной стаби- 5 на первый вход сравн ваю ход сравнивающего органа лизатора и выходом регулирующего эле- 2, а второй вывод опорного элемента мента второго стабилизирующего каска- 16 соединен с общей шиной устройстда, к которому также подключены пер- ва, второй же вывод балластного ре-. вый вывод введенного токозадающего зистора Ej соединен с источником резистора, через введенный регулиру- 10 опорного напряжения 18. Второй вход емый датчик тока - первый токовый сравнивающего органа 2 подключен к провод для дистанционного подключения средней точке второго резистивного нагрузки и замыкающий контакт введен- делителя .19 и 20, который включен ного первого ключа, второй вывод вве- между общей шиной устройства и выходенного токозадающего резистора сое- 15 дом регулирующего элемента 8 к кото.) динен с замыкающим контакто) введен- рому дополнительно подключены первый ного второго ключа, первый потенци- токозадающий резистор 21, а через альнь1и провод для дистанционного под регулируемый датчик тока 22 - первый ключения нагрузки через введенный токовый провод 9 нагрузки 13 и замытретий токозадающий регулируемый ре- щ кающий контакт первого ключа 23. Втозистор и размыкающий контакт введен- рым своим выводом первый токозадаюного второго ключа соединен с общей щий резистор 21 соединен с замыкаюточкой сравнивающего органа второго щим контактом второго ключа 24 размы-! стабилизирующего каскада, первого и кающий контакт которого через третий . второго регулируемых токозадающих 25 токозадающий регулируемый резистор резисторов, второй вывод первого 25 соединен с первым потенциальным регулируемого токозадающего резисто- проводом 10 нагрузки 13, размыкающий ра соединен с выходом введенного ин- контакт первого ключа 23 соединен с вертирующего повторителя напряжения, вторым потенциальным проводом 11 наинвертирующий вход которого через gp грузки 13, второй токовый провод 12 введенныи резистор и размыкающий КоН которой соединен с общей шиной усттакт введенного первого ключа соеди- ройства. Высокоомный резистор 26 сонен с вторым потенциальным проводом единен с входом инвертирующего повтодля дистанционного подключения нагруз- рителя напряжения 27;- Выход этого KH а Й и вертирующий вход подключен повторителя через первый регулируек второму токовому проводу для дис- мый токозадающий резистор 28 соедитанционного подключения нагрузки, нен с входом сравнивающего органа второи вывод второго регулируемого 6 второго стабилизирующего каскада токозадающего .резистора подключен к 5, с которым, в свою очередь, через источнику опорного напряжения, поляр- замыкающий контакт второго ключа 24 ность которого противоположна поляр- соединен с токозадающим резистором 21 ности выходного напряжения стабили- и второй регулируемый токозадающий затора. резистор 29, который вторым выводом

На чертеже .представлена функцио- соединен с источником опорного нанальная схема двухкаскадного стаби- пряжения 18. Полярность источника

45 лизатора найряжения. опорного напряжения 18 противоположСтабилизатор содержит первый ста- нз полярности выходного напряжения билизирующий каскад 1, состоящий из двухкаскадного стабилизатора. сравнивающего органа 2, управляющего Стабилизатор работает следующим органа 3 и регулирующего органа 4, образом. э 50 второи выходной стабилизирующий кас- Если напряжение U делителя 14

Q кад 5, состоящий из сравнивающего и 15 меньше напряжения U делителя органа 6, управляющего органа 7 и ре- 19 и 20, то сравнивающий орган 2 чегулирующего элемента 8, две пары то- рез управляющий орган 3 включает ре; ковых и потенциальных проводов 9, 10 гулирующий элемент 4, и напряжение и 11, 12 для дистанционного подклю- - на регулирующем элементе 8 возраста

55 чения нагрузки 13, первый потенцио- ет до тех пор, пока не выполнится метрический делитель напряжения 14 и неравенство U > Ug,вследствие

15, который подключен одним выводом чего по указанной цели регулирующий.

7 96460 элемент 4 выключится. Таким образом осуществляется стабилизация падения напряжения на регулирующем элементе

8. Величина стабилизированного падения напряжения определяется коэффициентами деления делителей 14, 15 и

19, 20 и величиной опорного напряжения опорного элемента 16. Для того, чтобы величина стабилизированного падения напряжения не зависела от !О абсолютного уровня напряжений, на входе и выходе регулирующего элемента 8, который может изменяться от десятков вольт до нескольких сотен вольт, коэффициенты деления делите- 15 лей 14, 15 и 19, 20 должны быть равны,, т. е. необходимо выполнить равенства Р.)4 = Р1 и Р1 . — — P20. В этом случае величина стабилизированного падения напряжения на регуляторе 8 0 будет определяться из выражения где 1рег.

"a

>U = — — а с Р28 25= a), 14, 15 где й" C — приращение напряжения в точке C (Ug — напряжение в точке б;

R, В2 — величины сопротивлений

55 резисторов 25 и 28.

При этом разность падений напряжений между выводами, с и d остается неизменной. Таким образом любые падения напряжения на токовом проводе

12 нагрузки 13 не изменяют заданного резистора 29 и 25 падения напряжения на нагрузке 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 в режиме стабилизации тока на

Р)4 9

Таким образом, величина U per не зависит от характера нагрузки стабилизатора и определяется согласно выражения (1) коэффициентом деления делителей 14, 15 и 19, 20 при определен40 но заданной величине напряжения опорного элемента 16. При этом необходимость в специальном, изолированном от нулевой шины устройства, источнике напряжения смещения отпадает.

При замкнутых размыкающих контактах ключей 23 и 24 двухтактный стабилизатор находится в режиме стабилизации напряжения на дистанционно удаленной нагрузке 13. При этом падение напряжения на полюсе с при условии, что падение напряжения на ее полюсе

d равно нулю (U = О), определяется из выражения

on

С Р29 R25 ) (2-) 1Ь .16(14 15)

14, 15

K величина стабилизированного падения напряжения на регуляторе 8; коэффициент деления делителя 14 и 15, который равен коэффициенту деления делителя 19 и 20; величины сопротивления резисторов 14 и 15, ) де U)-„— напряжение в точке с;

К25, К2двеличины сопротивлений резисторов 25 и 29.

Выражение (2) не учитывает сопротивление Ки,) потенциального провода

10, так как R25 в) R

При любом, отг)ичном от нуля, падении напряжения на сопротивлении R>> 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 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 равны, то от дополнитель. ного тока через резистор 28 напряжение в точке с нагрузки 13 возрастет согласно выражению (2) на величину

9 9646 дистанционно удаленной нагрузке 13.

О гличие принципа работы стабилизатора в данном режиме от, выше.рассмотренного состоит в том, что ток резистора 29, задающий абсолютное значение тока через нагрузку 13 уравновешивается на входе сравнивающего органа 6 током обратной связи не через резистор 25,"а через резистор 21, который подключен к выходу регулятора 10

8. Падения же напряжения на токовых проводах 9 и 12 и нагрузке 13 добавляется к выходному напряжению peryJlrlTopa, определяемому согласно выЯ ражению (2) резисторами R>., и R > та- ts ким же образом, как при учете падения напряжения на токовом проводе 12 в режиме стабилизации напряжения .

При этом сопротивление резистора 28 всегда неизменно и равно сопротивле- 20 нию резистора R<<, а диапазоны токов выбираются необходимым рядом значений диапазонного датчика тока 22, число которых равно числу диапазона стабилизируемых токов нагрузки 13. 25

То, 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 50 тока 22. A 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 (выход регулятора 8), строго равен единице, т. е. 45 а0

ОС й0

Эти два обстоятельства (минималь" ного фазового сдвига петли обратной связи и ее строго нормированного коэффициента на уровне единицы) принципиально отличают схему предлагае-. мого устройства от схемы известного и обеспечивают устойчивый режим ста55 билизации тока при реактивном характере нагрузок. Данное изобретение обеспечивает широкие диапазоны стабилизации тока и напряжения при любом

04 10 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-анапоговым преобра зователем. В данном случае резистор будет иметь постоянное сопротивление

1 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 с габилизирующих каскада, каждый из которых включает в себя регулирующий 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, о т л и ч а ю шийся 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 с .

11 9646 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 эле-, мента второго стабилизирующего каскада, к которому также подключены пер- 10 вый вывод введенного токозадающего резистора, через. введенный регулируемый датчик тока - первый токовый провод для дистанционного подключения нагрузки и замыкающий контакт введен-,1З ного первого ключа, второй вывод введенного токозадающего резистора соединен с замыкающим контактом введенного второго ключа, первый потенциальный провод для дистанционного подклю-.рр чения нагрузки через введенный третий токозадающий регулируемый резистор и размыкающий контакт введенного второго ключа соединен с общей точкой сравнивающего органа второго стабили- з

04 12 зирующего 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

1. Авторское свидетельство СССР

У 344425, кл. G 05 F 1/56, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР 591844, кл. G 05 F 1/56, 1976.