Импульсный стабилизатор постоянного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в усройствах электропитания радиоэлектронных приборов и устройств автоматики. Цель изобретения является повышение устойчивости работы, улучшение точности и массогабариных характеристик. Поставленная цель достигается за счет усранения проникновения переменной составляющей с частотой квантования на вход широтно-импульсного модулятора в цепи обратной связи по возмущению путем введения фазовращателя между первым резистивным делителем на резисторах, шунтирующим нагрузку, и усилителем рассогласования, работающим на широтно-импульсный модулятор. Фазовращатель зашунтирован вторым резистивным делителем на резисторах, со средней точки которого подается напряжение на вход усилителя рассогласования. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 05 F 1/56

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 фиг.1

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4364335/24-07, 4368455/24-07 . (22) 17.11.87 (46) 23.07.90. Бюл. hb 27 (71) Куйбышевский электротехнический институт связи (72) А.Ф. Кадацкий и О.В, Будников (53) 621.376.722.1(088.8) (56) Букреев С.С. Нелинейные свойства импульсных усилительных и преобразовательных устройств. 3ТВА./Под ред. Ю.И.

Конева,-M. Советское радио, 1976, вып. 8, с. 35-41.

Авторское свидетельство СССР

М 587460, кл, G 05 F 1/56, 1975. (54) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯН НОГО НАП РЯЖЕ Н ИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах

„„. Ж „„1580335 А1 электропитания радиоэлектронных приборов и устройств автоматики. Целью изобретения является повышение устойчивости работы, улучшение точности и массогабаритных характеристик. Поставленная цель достигается за счет устранения проникновения переменной составляющей с частотой квантования на вход широтноимпульсного модулятора 5 в цепи 4 обратной связи по возмущению путем введения фазовращателя 8 между первым резистивным делителем на резисторах 11 и 12, шунтирующим нагрузку, и усилителем 6 рассогласования, работающим на широтноимпульсный модулятор 5. При этом фазовращатель 8 зашунтирован вторым резистивным делителем на резисторах 9 и

10, со средней точки которого подается напряжение на вход усилителя 6 рассогласо1580335

10 вания. Фазовращатель 8 обладает той особенностью, что создает поворот фазы на

180 только для высокочастотных составляющих переменного напряжения, поступающего со средней точки первого резистивного делителя. Этим и достигается их отсутствие на входе усилителя 6 рассогласования. Колебания же уровня постоянИзобретение относится к электротехнике, а именно к стабилизаторам напряжения.

Целью изобретения является повышение устойчивости работы, улучшение точностных и массогабаритных характеристик путем компенсации переменной составляющей выходного напряжения в цепи обратной связи по возмущению.

На фиг. 1 представлена схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения с силовой частью устройства, когда регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой и сглаживающим фильтром; на фиг. 2 — то же, с регулируемым фазовращателем и разделительным конденсатором. в плече резистивного делителя напряжения, включенного между входом и выходом фазовращателя.

Стабилизатор (фиг. 1) содержит силовую цепь 1, включенную между входными и выходными выводами, и состоящую из последовательно соединенных регулируемого элемента 2 и сглаживающего фильтра 3, и цепь 4 обратной связи по возмущению.

Цепь 4 включает широтно-импульсный модулятор 5, выходом подключенный к управляющему входу регулирующего weмента 2, а входом — к выходу дифференциального усилителя 6 рассогласования, первый вход которого подключен к источнику 7 эталонного напряжения. Между входом и выходом фазовращателя 8 включен резистивный делитель напряжения. На резисторах 9 и 10 средняя точка соединена с вторым входом усилителя 6 рассогласования. Вход фазовращателя 8 подключен к средней точке резистивного делителя напряжения на резисторах 11 и 12, соединенного с выходными выводами.

Фазовращатель 8 может быть выполнен на основе дифференциального усилителя

13, между инвертирующим входом и выходом которого включен резистор 14, Выход дифференциального усилителя 13 является выходом фазовращателя 8. Общая точка резисторов 15 и 16, соединенных свободными выводами соответственно с неинвертирую15

45 ной составляющей напряжения на нагрузке передаются фазовращателем 8 усилителю 6 рассогласования беэ поворота фазы. Использование переменных резисторов 14 и

15 в схеме фазовращателя 8 позволяет регулировать фазу и величину его выходного напряжения, 3 з.п. ф — лы. 2 ил. щим и инвертирующим входами усилителя

13, является входом фазовращателя 8. Конденсатор 17 включен между неинвертирующим входом усилителя 13 и общей шиной.

Для регулирования выходного напряжения стабилизатора резистивный делитель выходного напряжения может быть выполнен регулируемым, для чего между резисторами

11 и 12 включают переменный резистор 18 (фиг. 2).

При использовании переменных резисторов 14 и 15 в схеме фазовращателя 8 (фиг. 2) становится возможным регулирование фазы и величины его выходного напряжения.

Для обеспечения потенциальной развязки выхода фазовращателя 8 и входа усилителя 6 рассогласования в плечо резистивного делителя напряжения, образованного резистором 10, включают разделительный конденсатор 19 (фиг. 2).

: Устройство работает следующим образом.

В установившемся режиме работы с делителя на резисторах 11 и 12 через резисторы 15 и 16 на оба входа усилителя 13 поступает композиция из постоянной составляющей напряжения, пропорциональной общему ее уровню на нагрузке, подключенной к выходным выводам, и переменной составляющей, также пропорциональной общему ее значению на нагрузке, Благодаря наличию отрицательной обратной связи по напряжению через резистор 14 между выходом усилителя 13 и его инвертирующим входом, а также связи неинвертирующего входа через конденсатор 17 с общей шиной, элементы фазовращателя 8 образуют фазовращатель с единичным коэффициентом усиления, что можно доказать следующим образом.

Обозначают высокочастотное переменное напряжение пульсаций, имеющее угловую частоту в, снимаемое с резистора 12, как Овх() в), а это же напряжение на неинвертирующем входе усилителя 13 как U+()ra), Пусть также величины резисторов 14 и 16

1580335

50

1 — jof CR

1+jof CR

55 одинаковы и равны 2R, величина резистора

15 составляет R, а величина конденсатора

17 равна С. Величина напряжения 0+Ци) ) связана с напряжением U»(j в) соотношением

0 (J В) — Uex О Of) — — Uex(j В) х, +--)

U вх ф

1 +JOfRC

Можно предположить, что усилитель 13 возбуждается двумя независимыми напряжЕНИяМИ 0 х(JOf) И 0 (JOf). МЕтадОМ Суперпозиции можно найти, что выходное напряжение усилителя 13 равно

Ue x(jof)=-Uex(j of)+ 2U (j в).

Это следует из того факта независимого рассмотрения действия входов идеального усилителя, что входное напряжение с резистора 12 целиком приложено к резистору

16, что вызывает появление эквивалентного входного тока Uex (! в)/2Я. Этот ток компенсируется поступающим на вход усилителя

13 через резистор 14 обратной связи током, равным -0вых Ов)/2R

Uex (J в) /2R=-0вых (j в)/2В и

0вых (j в)= Uex(j в) образуется первая составляющая выходного напряжения.

Вторая составляющая выходного напряжения, связанная с наличием на неинвертирующем входе источника сигнала

U+(jof) вследствие нулевого дифференциального входного напряжения идеального усилителя передается также на инвертирующий вход, а поскольку входной ток идеального усилителя равен нулю, то делитель напряжения обратной связи на резисторах

14 и 16 не нагружен и

2R +2R

Uevx(jof) = U Ов) =2U (jof) .

2R

Таким образом, принцип суперпозиции дает общую результирующую величину

0.. (jOf) =-L4<(JOf)+20+{JOf) =

U ax 0 ) (— 1) = U ax (J Ql) X

Модуль коэффициента передачи фазовращателя равен (() свих ) 1 -)COCR . U j в 1 — j вСВ

Он не зависит от частоты и величины резистора 15, в то время как его фаза

argt H(j of)t=-2arctg вСБ при подстройке резистора 15 изменяется в диапазоне 0 — 180О. Зависимость фазы не только от величины R резистора 15, но и угловой частоты в поступающего сигнала показывает, что на низких частотах сигнал передается без инверсии (с нулевым сдвигом по фазе). Это замечание касается постоянной составляющей выходного напряжения стабилизатора, поступающей на вход фазовращателя. На высоких частотах (частотах квантования) наблюдается изменение полярности сигнала (сдвиг по фазе на — 180О).

Величина емкости конденсатора 19 (фиг. 2) выбирается так, что на частоте квантования ее сопротивление можно считать весьма малым, не создающим ни значительного дополнительного фазового сдвига переменной составляющей. ни значительного ее падения напряжения. Наличие конденсатора 19 в цепи передачи напряжения пульсаций на второй вход усилителя 6 рассогласования обеспечивает потенциальную развязку выхода фазовращателя 8 и этого входа усилителя 6.

Одновременная подача на один и тот же вход усилителя 6 прямого (через резистор 9) и инвертированного (через конденсатор 19) и резистор 10 сигналов, а также подбор с помощью резистора 14 равенства по абсолютному значению уровней напряжений, пульсаций, позволяет ликвидировать воздействие высокочастотной пульсации на второй вход усилителя 6 рассогласования и далее на модулятор 5, Следовательно, имея делитель на резисторах 9 и 10 и осуществив соединение его средней точки через резистор 9 с входолi дифференциального усилителя 6 рассогласования с одновременной подачей на этот же вход сигнала с выхода фаэовращателя 8 через разделительный конденсатор 19 и резистор 10, можно получить компенсацию переменной высокочастотной составляющей напряжения типа пульсаций, поступающей с выхода стабилизатора на вход усилителя 6, и неизменность фазы медленных изменений выходного напряжения стабилизатора типа дрейфа и нестабильности постоянной соста вля ю щей нап ряжения на нагрузке.

При этом обеспечивается желаемая точность компенсации за счет использования переменных рези торов 14 и 15 и потенциальная развязка схемы фазовращателя 8 от входа блока управления регулирующим зле1580335

5 из-за введения в схему фаэовращателя 8 и 40 его действия существенно повышает линейность модулятора 5 и приводят к повыше50

55 ментом 2 стабилизатора, который может быть высокопотенциальным по отношению к общей шине (фиг. 2).

Изменение постоянной составляющей напряжения на нагрузке при воздействии какого-либо возмущающего фактора {изменение уровня напряжения первичного источника питания, тока в цепи нагрузки и т.п.) приводит к изменениям постоянных составляющих напряжений: на средней точке первого резистивного делителя (резисторы 11 и

12) на входе фазовращателя 8, на втором входе дифференциального усилителя 6 рассогласования.

Изменение напряжения на этом входе усилителя 6 обеспечивается только за счет действия цепи передачи через резистор 9, а передача изменений с выхода фазовращателя 8 блокируется конденсатором 19.

Появившееся приращение входного сигнала усилителя 6 рассогласования усиливается и приводит к изменениям уровня напряжения на входе широтно-импульсного модулятора 5. Результатом этого является изменение ширины импульсов на выходе модулятора 5. Последние, поступая на вход регулирующего элемента 2, приводят к изменению уровня электрической энергии, передаваемой регулирующим элементом 2 в нагрузку.

Указанные изменения за счет использования отрицательной обратной связи направлены на компенсацию возмущающих воздействий и установление ic заданной точностью требуемого выходйого напряжения.

Отсутствие переменной составляющей на входе широтно-импульсного модулятора нию устойчивости работы стабилизатора в целом.

Таким образом, предлагаемый стабилизатор обеспечивает расширение области устойчивой работы, возможность уменьшения индуктивности дросселя и емкости конденсатора силового сглаживающего фильтра,. их объема и массы, возможность потенциальной развязки между выходом фазовращателя и входом блока управления регулирующим элементом стабилизатора.

Формула изобретения

1, Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий силовую цепь, включающую между входными и выходными выводами и состоящую из после5

35 довательно соединенных регулирующего элемента и сглаживающего фильтра, и цепь обратной связи по возмущению, включающую дифференциальный усилитель рассогласования, источник эталонного напряжения, первый резистивный делитель напряжения и широтно-импульсный модулятор, причем выход широтно-импульсного модулятора подключен к управляющему входу регулирующего элемента, вход — к выходу дифференциального усилителя рассогласования, первый вход которого подключен к источнику эталонного напряжения, а первь и резистивный делитель напряжения подключен к выходным выводам, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости в работе, улучшения точностных и массогабаритных характеристик путем компенсации переменной составляющей выходного напряжения в цепи обратной связи по возмущению, в него введены фазовращатель с единичным коэффициентом усиления и фазовым сдвигом входного сигнала на частоте квантования на

180 и второй резистивный делитель напряжения, который включен между входом и выходной цепью фазовращателя, средняя точка второго резистивного делителя напряжения подключена к второму входу дифференциального усилителя рассогласования, а вход фазовращателя подключен к средней точке первого резистивного делителя напряжения.

2. Стабилизатор по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что фазовращатель выполнен на основе дифференциального усилителя, между инвертирующим входом и выходом которого включен первый резистор, выход дифференциального усилителя использован в качестве выхода фазовращателя, соединенного с его выходной цепью, а общая точка второго и третьего резисторов, соединенных свободными выводами соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилйтеля, использована в качестве входа фаэовращателя, кроме того, между неинвертирующим входом дифференциального усилителя и общей шиной включен конденсатор.

3. Стабилизатор по и. 2; о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения технологичности изготовления фазовращателя, обеспечения регулирования фазы и величины выходного напряжения фазовращателя, первый и третий резисторы фазовращателя переменные.

4. Стабилизатор по пп. 1,2 или 3, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения области использования и повы10

1580335

Составитель А.Волкова

Редактор Н. Рогулич Техред М.Моргентал Корректор А.Обручар

Заказ 2011 Тираж 653 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101 шения точностных характеристик, в выходную цепь фаэовращателя введен разделительный конденсатор, подключенный непосредственно к выходу фазовращателя.