Преобразователь напряжения

 

Прербразователь напряжения обеспечивает получение высококачественногр выходного напряжения при питании преобразователя от источника либо постоянного , либо переменного напряжения. При .этом обеспечивается быстродействующее широкодиапазоннйе регулирование и стабилизация выходного напряжения, л ричем на программном уровне, что достигается за счет введения второго прербразовательнЬ- го тракта, а также дополнительное введение в каждый из преобразовательных трактов анализатора напряжения питания, формирователя управляющего кода, аналого-цифрового блока, делителя и умножителя, 2 ил. 5 Ё 00 si

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 02 М 7/48.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4880667/07 (22) 05.11.90 (46) 07.05.93. Бюл, М 17 (71) Киевский политехнический институт им.

50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) В.И.Сенько, В.С.Смирнов, К,В.Трубицын, А.А.Мозоляко и А.П.Калиниченко (56) 1. Источники электропитания радио-. электронной аппаратуры, Справочник /

Г.С,Найвельт, К.В,Мазель и др,: Под ред.

Г.С.Найвельта, — М.: Радио и Связь, 1985, с.

170-178.

2. Источники вторичного электропитания / С.С.Букреев, В.А.Головацкий и др.:

Под ред. Ю.И.Конева. — М.: Радио и Связь, 1983, с. 94-98, 3. Авт. св. СССР М 1019566, кл. Н 02 М

7/48, Н 02 P 13/18, 1983.

4. Краснопроаина А,А., Скаржепа В.А., Кравец П.И. Электроника и микросхемотехника, Ч. 2. Электронные устройства про-., мышленнойй автоматики: Учебник / Под общ. ред. А.А.Краснопрошиной. — К.: Вища школа. Головное изд-во, 1989, с. 295-297.

5. Гусев С.И., Сенько В.И, и др. Принци. пы построения прецизионных преобразователей с программируемой формой выходного напряжения. — Техническая электродинамика, 1980, N. 5, с. 49-55.

Изобретение относится к области элек.тротехники, в частности, к преобразовательной технике, и может быть использовано в многофункциональных системах вторичного электропитания, программируемых регуляторах напряжения, обеспечивая высокое качество преобразованной электроэнергии и улучшение массо,, Ы„„1814177А1 (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (57) Преобразователь напряжения обеспечивает получение высококачественного выходного напряжения при питании преобразователя от источника либо постоянного, либо переменного напряжения. При этом обесйечивается быстродействующее .широкодиапаэонное регулирование и стабилизация выходного напряжения, причем на программном уровне, что достигается за - . счет введения. второго преобразовательного тракта, а также дополнительное введение . в каждый из преобразовательных трактов анализатора напряжейия питания, форми- Ф рователя управляющего кода, аналого-цифрового блока, делителя и умножителя, 2 ил. габаритные показатели при питании от различных первичных источников электроэнергии (не только переменного тока).

Целью изобретения является расширение области применения преобразователя напряжения.

На фиг. 1 представлена блок-схема преобразователя напряжения; на фиг. 2 — фун1814177 кциональная схема задатчика формы выход- Задатчик формы выходного напряженого напряжения. ния 5 (фиг, 2) включает в себя циклические

Преобразователь напряжения (фиг. 1) двоичные счетчики 18, 19 на счетные входы содержит два одинаковых преобраэова-- которых подключен выход генератора тактельных тракта 1 и 2, входы которых являют- 5 товой частоты 4, а выходы соединены с адся входами преобразователя напряжения, а ресными входами блоков памяти 20 и 21. выходы соединены последовательно и под- Преобразователь напряжения работает ключены к силовому входу демодулятора 3, следующим образом. Входное напряжение а к управляющему входу демодулятора 3 произвольной формы, Us„, поступает на подсоединенвыходгенераторатактовойча- 10 вход модулятора 10.1, преобразованного стоты 4, а также задатчик формы выходного тракта 1„а Usxz на вход модулятора 10,2, напряжения 5 и выходной аналого-цифро- преобразованного тракта 2. На модуляторах вой блок 6, вход которого соединен с выхо- 10.1 и 10,2 выполненных например по модом демодулятора 3, а выход с Одним из стовойсхемеинверторанапряжениянаполвходов компенсирующего делителя ?, на 15 ностью управляемых ключах, входное второй вход которого подключе сумматор напряжения О u U модулируются пронапряжения вх1 и вх2 модулируются про8, причем выход компенсирующего делите- o oA ас о ой f за авае ножителя 9, на регулирующий вход которого мой генератором тактовой частоты 4, подается сигнал регулирования величины 20 „

Высокочастотное импульсное найряжевыходного напряжения О.. ние UM, с выхода модулятора 10.1 и Ом„с

Структура преобразовательных трактов выхода модулятора 10.2 поступает на входы

1 и 2 одинакова. Каждый преобразовательсоответственно амплитудного квантователя

11.1 и 11.2, где происходит формирование ный тракт содержит последовательно соединенные модулятор 10,1 (10,2). (В скобках, 25 указана нумерация блоков преобразовательного тракта 2), на Управгяющий вход нения амплитуды, величина которой ззДаеткоторого подключен выход генератора так- Cfl аДатЧИКОМ ФОРМЫ ВЫХОДНОГО тавой частоты 4, амплитудный квантователь нап "ж 5 в каждом такте промежуточ11.1 (11.2), с двумя группами силовых ячеек, 30 ной высокой частоты АР причем выход вторых групп силовых ячеек РассмотРим более подробно процесс соединены последовательно yl подрлючены . фОРМИРОВаНИЯ ВЫСОКОЧаСТОТНОГО ИМПУЛЬС" к входу демодулятора 3. Кроме того преоб- ного напрЯжениЯ Одк1и Одк2 в амплитУдразовательный тракт 1 (2) содержит иэмери- " "" квантователях 11 1 тель амплитуды напряжения питания 12.1 35 Входное напряжение Овх,v Овх„парал(12.2) и детектор нулевого напряжения 13.1 лельно с поступлением на модуляторы 10.1 (13.2), входы которых подклю ены к входу и 10.2, поступает на входы измерителя намодулятора 10.1 (10.2), а выходы детектора ПРЯжения питаниЯ 12,1 и 12.2 соответственнулевого напряжения 13,1(13,2)к входу на- . но rдe значение их амплитуды чальной установки эадатчика формы выход- 40 пРеобРазУется в двоичный кОД, в каждый ного напряжения 5 и выход измерителя такт частоты fgP, причем частота преобразоамплитуды напряжения 12.1 (21.2} к одному вания на порядок больше частоты 4 р. Двоиэ входов первого делителя 14,1 (14. ), на и"ные коды Usx, и Овх, выходов измерителя второй вход которого подключен выход за- напряжения питания 12.1 и 12,2, соответстдатчика формы выходного напряжения 5, 45 вУющие значениЯм амплитУд входных напричем выход первого делителя 14.1 (14,2) . пряжений U»<,и U»„o каждом такте частоты поразрядно подключен к управляющему fsp постУпают на вхоДЫ пеРвых Делителей входу второй группы силовых ячеек ампли- 14 и 14.2 соответственно, на вторые входы тудного квантователя 11.1 (11.2) и одному из котоРых постУпают двоичные коды Оэт, и О входов второго делителя 15.1 (15,2), на вто- 50 блоков памЯти 20 и 21, последовательнаЯ

РОй вхОд которого пОдКлючен аналого-циф выбоРка котоРых с помОЩью двоичных цикровой блок 16.1 (16.2}, вход которого лических счетчиков 18 и19 и задаеттребуеподключен к выходу амплитудного кванто- мую Форму огибающей высокочастотного вателя 11.1 (11.2), а выход второго делителя импУльсного напряжения Одк1 и UAY2 амп15.1 (15.2) на один из входов умножителя 55 литудных квантователей 11.1 и 11.2 при по17.1(17,2), на второй вход которого подклю- стоянном значении входных напряжений чается выход регулирующего умножителя 9. Usx и Usx,. Значения Овх и Овх, поступают а выход поразрядно подключен на управля- на вход первых делителей 14.1 и 14.2 соотющий вход первой группы силовых ячеек ветственно,навторыевходыкоторыхпостуамплитудного квантователя 11.1 (11,2). пает значение Us и Ua< иэ задатчика

1814177

:формы выходного напряжения 5, в результате деления.в каждом такте формируются

-"значения двоичного кода Офук и Офук . кото1 рые поразрядно поступают на управляю-. щие: электроды соответствующих ключей 5 второй группы силовых ячеек амплитудных квантователей 11,1 и 11.2, что вызывает за счет коммутации ключей изменение коэффициента трансформации высокочастотного трансформатора амплитудных 10 квантователей 11.1 и 11.2 и обеспечивает формирование высокочастотного импульсного напряжения требуемой формы. За счет последовательного соединения вторичных обмоток амплитудных квантователей 11.1 и 15

11.2, напряжения UAK) и Одк2 суммируются и поступают на силовой вход демодулятора

3, который выполнен по схеме мостового инвертора напряжения на полностью уп. равляемых ключах, где под воздействием 20 сигналов управления fop, поступающие на управляющие входы ключей происходит формирование из высокочастотного импульсного напряжения, выходного напряжения преобразователя требуемой формы

Ов». Форма выходного напряжения Ua»

ОДК1

Коткл.1

Офук1 и амплитудйого:квантователя 11.2;

Од"2, 4ткв.2 . Офук2 где Одк,, Одк — двоиЧный код. соответствующий значению амплитуды выходного на- пряжения соответственно амплитудного квантователя 11.1 и 11.2;

-Ф

Офук,, Офук, — двоичный код, поступающий соответственно с выхода первых делителей 14.1 и 14.2.

Одновременно значения двоичного кода Одк и Одк поступают на вход сумматора

8, а результат Одк + Одк на один их входов .2 компенсирующего делителя 7, на второй вход которого поступает двоичный код Оввх . с выходного аналого-цифрового блока 6, который соответствует значению амплитуды выходного напряжения Овык в каждом такте частоты fop. На выходе компенсирующего. делителя 2 формируется коэффициент рассогласования Кяв равный: задается задатчиком формы выходного напряжения 5, а именно значениями двоичного кода; записанного в блоке памяти 20 и 21.

Если в качестве блоков памяти 20, 21 ис- З0 пользовать оперативные запоминающие устройства, то записывая ОЗУ в процессе работы новые. значения можно оперативно менять форму выходного напряжения 0»х

40 венно преобразовательного тракта 1 и 2; а также выходной аналого-цифровой блок 6, компенсирующий делитель 7, сумматор 8 и регулирующий умножитель 9 служат для стабилизации и регулирования (значения амплитуды) выходного напряжения Us x 45

Цепь стабилизации и регулирования U»x работает следующим образом. На один из входов второго делителя 15Л (15;2) поступает значение амплитуды выходного напряже50 ния амплитудного квантователя 11.1 (11.2) UAKf(UAQ. преобразованное в двоичный.код

U Aê (О av ) на двухполярном аналого-циф- ровом блоке 16.1 (16.2), на второй вход делителя 15.1 (15.2) с выхода первого делителя

14.1 (14.2) поступает управляющий двоич- 55 ный код Офук (Офук ). В результате деления " определяется коэффициент отклонения выходного нап ряжения амплитудного квантователя 11.1: преобразователя. 35

Первая группа силовых ячеек амплитудных квантователей 11.1, 1,1.2 и аналого-цифровые блоки 18.1 и 16.2, вторые делители . 15.1, 15.2, умножители 17Л, 17.2 соответстОд"1 + Од"2

Крс ф

Овык

Значение коэффициента рассогласова- . ния Крв поступает на вход регулирующего умножителя 9, на второй вход которого подается сигнал регулирования величийы амплитуды выходного H8llpAæýíéÿ Овых О, (Если значение амплитуды Овык не регулируется, то 0-1). Значение коэффициента рассогласования поступает на вход умножителя 17.1 преобразовательного тракта 1 и на вход умножителя 17.2 преобразовательного тракта 2. на вторые входы умножителей 17.1 и 17.2 поступает значение коэффициентов К0ткл, и К тквсоответственно; в результате на выходе умножителей

17Л и 17.2 формируется код, который, поступая с умножителя 17.1 на соответствующие . управляющие электроды ключей первой груг1пы силовых ячеек амплитудного квантователя 11.1, а с умножителя 17,2 на соответ- . .ствующие управляющие электроды ключей

nepsoA группы силовых ячеек амплитудного квантователя 11.2, вызывает изменение коэффициента трансформации. высокочастотных трансформаторов амплитудных, квантователей 11.1 и 11.2 за счет изменения количества виткОв в первичной обмотке и, как следствие. ведет к стабилизации амплитуды выходных напряжений Ua» преобразователя напряжения. При регулировании

Ua», увеличивая значение сигнала регули1814177 ременные напряжения U» и U» поступают на вход модуляторов 10.1 и 10;2 соответствейно преобразовательных трактов 1 и 2:, где преобразуется в промежуточное высокочастотное импульсное напряжение Оц,,и

0й с частотой @р. ГГричем частота Ьр-16000

Д

Гц, вырабатываемая генератором тактовой частоты 4 в 2" (n=5,6,7;..) раз больше частоты входного напряжения U» и О». Входное переменное напряжение U», одновремен-. но поступает на вход детектора нулевого напряжения 13,1 преобразовательного . тракта 1, где при прохождении огибающей напряжения U», через "0" срабатывает детектор нулевого напряжения и происходит обнуление двоичного счетчика 18. В блоке памяти 20, начиная с нулевого адреса, записаны двоичные коды U><,, соответствующие функции Sin х, а в блоке памяти 21 — Usr

2 ооответотвугощнй оа к. Двоичные коды ыагт (S)n х) и Оэ, (Cos х} поступают на входы первых двигателей 14,1 и 14.2 соответственно преобразовательного тракта 1 и 2, где" происходит формирование управляющего кода Upy<< и Офу для второй группы силовых ячеек амплитудных квантователей 11.1 и 11.2, в зависимости от величины амплитуд-. ных входных напряжений UBII, и U»z, значения ко горых U x и U» поступают соответственно с изйерителгей напряжения . питания 12 1 и 12,2. Такий образом на вторичных обмотках импульсных трайсформаторов амплитудных квантователей .111 и .

11,2 в каждом периоде входного переменно- . го:напряжения U» формируются высокока-. чественные импульсные напряжения Одк и

Одк, огибающие которых соответствуют функции $)п2х и Cos2õ. вследствие последо-. вательного соединения вторичных обмотокамплитудных квантователей 11.1 и 11.2, происходит суммирование импульсных напряжений Одк, и Одк, в каждом такте частоты Ьр

UA<1 + Одк2 = $)п х + Соз х=1, Таким образом, выделив на демодуляторе 3 огибающую высокочастотного импульсного напряжения Одк, .+ Одк, получим постоянное выходное напряжение L4s> . величина которого зависит от соотношения количества витков в первйчной и вторичной обмотках импульсных трансформаторов мо-, жет быть как понижающей, так и повышающей амплитудных квантователей 11 1 и 11.2 регулируется по первой группе силовых weек, Для приведенного случая (питание от трехфазного источника) коэффициент транс-, формации амплитудного квантователя 11,2; преобразовательного тракта 2, должен быть в V3 раз меньше чем в амплитудном кванто— ватепе 11.1, преобразовательного тракта 1, 7 рубания О, увеличивается значение Крс О; поступающее нагодин из входов умножите. лей. 17 1 и 17.2 и, как следствие, увеличйва ется код, поступающий на управляющие электроды ключей первой группы силовых 5

-яЧеек амплитудных квантователей 11 1 и t1,2, что ведет к одинаковому изменению : коэффициента трансформации высокочастотных трайсформаторов амплитудных квантователей 11.1 и 11.2, одинаковому 10 приращению значений амплитуд Одк и Одк с и, как следствие, увеличению (уменья)ению) амплитуды Овцу.

Синхронизация работы всех блоков и узлов. схем.ы осуществляется частотой fop, 15 вырабатываемой генератором тактовой частоты 4. Все аналого-цифровые блоки и преобразователи работают от общего, .источника опорного напряжения. При необходимости (если. диапазон АЦП не совпада- 20 ет с .реальными значениями напряжения) перед аналого-цифровыми блоками и преобразователями ставятся масштабирующие усилители, а выход делителей 14.1, 14.2 и. умножителей 17.1, 17.2 подключаются к уп- 25 равляющим электродам ключей. амплитудных квантователей 11.1 и 11.2.через буферные регистры хранения.

Далее более ясного представления рассмотрим работу преобразователя, который 30 питается от трехфазного источника электро-энергии и осуществляет преобразование переменного синусоидального напряжения в постоянное.

Амплитудные квантователи 11.1 и 11.2 35 .содержат в первой и второй группах по пять силовых ячеек. Причем отношение количе1 .ства витков сйловых ячеек в первой и второй группах высокочастотного импульсного трансформатора составляют весов.ые коэф- 40 фицйенты двоичного кода. То есть, если ког личество витков первой силовой ячейки (младшей) составляет 10, то второй 20, трьетьей 40, а четвертой 80 витков и т.д. А ключевые элементы каждой силовой ячейки 45 рабОтают в противофазе. На вход преобра зовательного тракта 1 поступает фазное напряжение фазы А трехфазного источника электроэнергии; т,е. U» -Од, (действующее значение 220 В, f-50 Гц). Вход преобразо- 50 вательйого тракта 2 подключен к линейному напряжению фаз В и С, т.е. U» "ОВС (действующее значение 380 В f=50 f ц). Таким образом на входе преобразовательного тракта 2 поступает синусоидальное напря- 55 жение U» c амплитудой в V3 раз больше и .сдвинутое по.фазе на 90 относительно входного синусоидального напряжения U», преобразовательного тракта 1. Входные пе1814177

9 . что позволяет упростить работу эадатчика Формула изоб рете н и я формы выходного напряжения 5. При коэф- 1. Преобразователь напряжения, содерфициенте трансформации Ктя,=0,25 транс- жащий преобразовательный тракт в виде форматора амплитудного квантователя 11,1 . последовательно соединенных модулятора и Ктр-0,25/ Ю амплитудного квантователя 5 и амплитудного квантователя, который вы. 11.2 можно получить постоянное регулируе- полнен в виде двух групп последовательно

1 мое выходное напряжение U»>=+12,5 - 50) саединенных по выходу силовых ячеек, каж. 8, с шагом регулирования 2,3 В. Реализация дая из которых представляет собой эамкнуамплитудного квантователя описана в(4И5). тую цепь из последовательно включенных

В качестве полностью управляемых си- 10 обмотки трансформатора и двух ключевых ловых ключей с двухсторонней проводимо- элементов, работающих в противофазе, систью модулятора 101 (T0.2) и модулятора 3, ловые выводы одного из которых образуют выполненных по мостовой схеме инвертора выходы ячеек, а также демодулятор, задат. напряжения, могут использоваться полевые чик формы выходного напряжения, генератранэисторы со статической индукцией типа 15 тор тактовой частоты, подключенный к

- КП701А, которые имеют обратное напряже- управляющим входам модулятора, демодуние Оси=600 В, большой частотный диапа- лятора, задатчика формы выходного напрязон до 1 МГц и малые потери. Этот же,тип жения; и последовательно соединенные транзисторов можно использовать в ампли- выходной аналого-цифровой блок, вход ко тудных квантователях 11.1 и 11.2. В зависи- 20 торого подключен к выходу демодулятора, а мости от мощности преобразователя, выход — к одному из входов компенсируюсиловой ключ может состоять из нескольких щего делителя, ретулирующий умножитель, параллельно включенных транзисторов. сумматор, отличающийся тем, что, с

В системе управления силовыми транзи- . целъю расширения области использования, сторами используются оптроны типа 25 он снабжен вторйм преобразовательным

АОД130А. трактом, выполненным аналогично первоВ качестве сердечника высококачест- му, причем вьаоды амплитудных кваитовавенноготрансформатора амплитудных кван- телей первого и . второго . тователей 11.1, 11.2. используются преобраэовательныхтрактов cîåäèíåHû поферритовые кольца марки М2000НМ1, кото- 30 следовательно и подключены на силовой рые обеспечивают работу трансформатора вход демодулятора, каждый преобразова на высокой частоте до 100 кГц, Размеры и тельный тракт дополнительно содержит иэтип ферритового сердечника, а также коли- меритель амплитуды напряжения питания, . чество ви тков в каждой обмотке определя- детектор нулевого напряжения, два делитеются частотой промежуточного 35 ля, аналого-цифровой блок и умножитель, высокочастотного преобразователя и мощ- причем вход измерителя амплитуды напряностью преобразователя. В качестве анало- жения питания и детектора нулевого напряго-цифровых блоков 6, 16.1, 16.2 жения каждого преобразовательного используется интегральный быстродейству- тракта объединены с входом модулятора соющий АЦП типа 1113ПВ1.. 40 ответствующего преобразовательного тракСхематическая реализация детектора та, выход детектора нулевого напряжения нулевого напряжения освещена в моногра- подключен к соответствующему входу нафии Шило В.Л. Линейные интегральные схе- чальной установки задатчика формы выходмы в радиоэлектронной аппаратуре. — ного напряжения, а выход измерителя

M. Ñîâ. радио, 1979, с. 185-188. 45 амплитуды напряжения питания кодномуиэ

Реализация блоков деления 7, 14.1, 14.2, входов первого делителя, на другой вход

t5.1, 15.2 умножения 9, 171, 17.2 суммирова- которого подключен соответствующий выния 8 подробно рассмотрена в монографии: ход задатчика формы выходного напряжеСамофалов К.Г... Корнейчук В.И., Тарасенко ния, выход первого делителя подключен

В.П, Электронные цифровые вычислительные 50 поразрядно к управляющим входам второй машины. — Киев: Вища школа, 1976., группы силовых ячеек амплитудного квантоВсе вичислительные цифровые блоки, а вателя и к одному иэ входов второго делитетакже счетчики.и элементарные логические ля, а на его другой вход подключен выход схемы реализованы на базе интегральной аналого-цифрового блока, входкоторогосо .серии К555. В качестве блоков памяти 20, 21 55 единен с выходом амплитудного квантоваиспользуется перепрограммируемое посто-. теля, а выход второго делителя соединен с янное запоминающее устройство серии .одним из входов умножителя соответствуюК573РФб. В схеме генератора тактовой час- щего преобразовательного тракта, на друтоты 4 используется кварцевая стабилиза- гой вход которого подключен выход ция частоты. регулируемого умножителя, а выход пораз1814177

Составитель К. T рубицын

Техред М.Моргентал Корректор H.Êoðoëü

Редактор Г,Бельская

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1832 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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