Стабилизатор постоянного тока

 

Область использования: в стабилизированных источниках постоянного тока. Сущность изобретения: стабилизатор содержит силовой регулятор 1, датчик 2 тока, дроссель 3, согласующе-усилительный блок 4, измерительный шунт 5, силовой регулируемый элемент 6, гасящий резистор 7, измерительно-усилительный блок 9, источник 10 опорного напряжения, регулируемый элемент 11, измерительный блок 12 и реостатный блок 13. Стабилизатор имеет три контура автоматического регулирования, благодаря чему достигается широкий диапазон регулирования выходного напряжения. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к стабилизированным источникам тока.

Известен стабилизатор постоянного тока [1] содержащий силовой регулятор, датчик тока, силовой регулируемый элемент постоянного тока, первый и второй измерительно-усилительные блоки, первый и второй выходные выводы силового регулятора соответственно через силовой регулируемый элемент постоянного тока и датчика тока подключены к первому и второму выводам для подключения нагрузки, к силовым выводам силового регулируемого элемента постоянного тока подключен также вход первого измерительно-усилительного блока, выход которого соединен с управляющим входом силового регулятора, управляющий вход силового регулируемого элемента постоянного тока подключен к выходу второго измерительно-усилительного блока, вход которого подключен к выходу датчика тока.

Основной недостаток известного устройства состоит в следующем. Через силовой регулируемый элемент постоянного тока протекает полный ток нагрузки стабилизатора. В стабилизаторах больших токов (сотни тысячи ампер) силовой регулируемый элемент выполняется на основе параллельного соединения большого количества (сотни тысячи штук) приборов (например, транзисторов). Этим обуславливаются низкая технологичность подобных стабилизаторов, их низкая надежность и другие недостатки.

Известен стабилизатор постоянного тока [2] наиболее близкий по технической сущности к изобретению и содержащий силовой регулятор, датчик тока, силовой регулируемый элемент, вход которого подключен к выходу согласующе-усилительного блока, и дроссель, при этом первый вывод для подключения нагрузки соединен через гасящий резистор с первым выводом силового регулируемого элемента, а через дроссель с первым выходным выводом силового регулятора, второй выходной вывод которого соединен с общей шиной, к которой через датчик тока подсоединен второй вывод для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного сигнала и выходом датчика тока.

В стабилизаторах относительно небольших токов (I_ном несколько десятков ампер) при относительно высоких напряжениях на нагрузке (U_ном несколько десятков вольт) последовательно с силовым регулируемым элементом включают гасящий резистор, который рассеивает значительную часть мощности переменного тока (тока пульсаций), обеспечивая тем самым существенное снижение мощности, рассеиваемой в силовом регулируемом элементе. А так как в указанных условиях силовой регулируемый элемент выполняется обычно на основе силовых транзисторов, имеющих, как известно, ограничительную мощность рассеяния, то включение указанного гасящего резистора обеспечивает повышение надежности стабилизатора. В стабилизаторах с большим диапазоном регулирования тока, например I_ном/I_мин > 5N10, возникает противоречие с выбором номинального значения сопротивления гасящего резистора: исходя из условия эффективного подавления пульсаций в нижней части диапазона регулирования тока его сопротивление должно быть относительно малым, в то же время, исходя из условия эффективного снижения мощности, рассеиваемой в силовом регулируемом элементе в верхней части диапазона, сопротивление гасящего резистора должно быть относительно большим. Указанное противоречие не позволяет на основе прототипа реализовать широкодиапазонные стабилизаторы с эффективным подавлением пульсаций и высокой надежностью.

Расширение диапазона регулирования тока достигается тем, что в стабилизатор постоянного тока, содержащий силовой регулятор, датчика тока, силовой регулируемый элемент, вход которого подключен к выходу согласующе-усилительного блока, и дроссель, при этом первый вывод для подключения нагрузки соединен через гасящий резистор с первым выводом силового регулируемого элемента, а через дроссель с первым выходным выводом силового регулятора, второй выходной вывод которого соединен с общей шиной, к которой через датчик тока подсоединен второй зажим для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного сигнала и выходом датчика тока, введены регулируемый элемент, включенный между общей шиной и управляющим входом силового регулируемого элемента, вход согласующе-усилительного блока подсоединен к первому выводу для подключения нагрузки, а его общий вывод к общей шине, реостатный блок, измерительный шунт и измерительный блок, выход которого подключен к управляющему входу регулируемого элемента, общий вывод к общей шине, а входы подключены к первому и второму выводам силового регулируемого элемента, причем второй вывод последнего через измерительный шунт соединен с общей шиной, с которой соединен также общий вывод реостатного блока, который подключен силовыми выводами параллельно гасящему резистору, реостатный блок выполнен на основе источника опорного напряжения, первого и второго силовых транзисторов, согласующего усилителя, делителя напряжения, первого и второго конденсаторов, первого и второго балластных резисторов, первого, второго и третьего диодов, первого, второго, третьего и четвертого резисторов, при этом в качестве первого силового вывода реостатного блока использован первый вывод первого балластного резистора, второй вывод которого подключен к коллектору первого силового транзистора, база которого соединена с первым выводом источника опорного напряжения через последовательно соединенные первый резистор и первый диод, включенный в прямом направлении, промежуток база-эмиттер первого силового транзистора шунтирован первым конденсатором, вторым резистором и включенным в обратном направлении вторым диодом, эмиттер первого силового транзистора и первый вывод второго балластного резистора объединены и их общий вывод использован в качестве второго силового вывода реостатного блока, к которому подключен первый вывод второго конденсатора через параллельно соединенные третий резистор и третий диод, включенный в обратном направлении, второй вывод второго балластного резистора подключен к коллектору второго силового транзистора, база которого подключена к выходу согласующего усилителя, вход которого через делитель напряжения подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине реостатного блока, к которой подключены также общие выводы делителя напряжения и согласующего усилителя, второй вывод источника опорного напряжения и первый вывод четвертого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером второго силового транзистора, вывод общей шины реостатного блока использован в качестве его общего вывода.

Существенными отличительными признаками, достаточными для достижения технического результата, являются регулируемый элемент, измерительный шут, измерительный блок и реостатный блок, который выполнен на основе источника опорного напряжения, первого и второго силовых транзисторов, согласующего усилителя, делителя напряжения, первого и второго конденсаторов, первого и второго балластных резисторов, первого, второго и третьего диодов, первого, второго, третьего и четвертого резисторов. Существенными отличительными признаками являются также связи между элементами в реостатном блоке и в устройстве в целом.

В предлагаемом техническом решении благодаря введению в стабилизатор новых признаков достигается расширение диапазона регулирования тока, т.к. обеспечивается достижение требуемого технического результата. Причинная связь между новыми признаками и достигаемым результатом состоит в следующем. В нижней части диапазона регулирования введенные средства обеспечивают автоматически шунтирование гасящего резистора, чем обеспечивается эффективная работа силового регулируемого элемента по подавлению пульсаций. При повышении уровня постоянной составляющей напряжения на силовом регулируемом элементе выше определенного уровня обеспечивается автоматически шунтирование его по постоянному току, что, не снижая его эффективной работы по подавлению пульсаций, позволяет снизить мощность потерь в силовом регулируемом элементе. Узел защиты, включающий измерительный блок и регулируемый элемент, обеспечивает ограничение тока через силовой регулируемый элемент при возникновении ненормальных режимов в силовой части стабилизатора, не оказывая побочных влияний на работу контура подавления пульсаций в условиях нормального функционирования стабилизатора.

На фиг.1 представлена блок-схема стабилизатора постоянного тока; на фиг. 2 принципиальная схема реостатного блока; на фиг.3 блок-схема измерительного блока (вариант выполнения).

Стабилизатор постоянного тока содержит силовой регулятор 1, датчика 2 тока, дроссель 3, согласующе-усилительный блок 4, измерительный шунт 5, силовой регулирующий элемент 6, гасящий резистор 7. Первый вывод для подключения нагрузки 8 соединен через гасящий резистор 7 с первым выводом силового регулируемого элемента 6, а через дроссель 3 с первым выходным выводом силового регулятора 1, второй выходной вывод которого соединен с общей шиной, к которой через датчик 2 тока подсоединен второй вывод для подключения нагрузки 8. К общей шине через измерительный шунт 5 подключен второй вывод силового регулируемого элемента 6.

Кроме того, стабилизатор содержит также измерительно-усилительный блок 9, источник 10 опорного сигнала, регулируемый элемент 11, измерительный блок 12 и реостатный блок 13, который с помощью первого 14 и второго 15 силовых выводов подключен параллельно гасящему резистору 7, а с помощью общего вывода 16 к общей шине стабилизатора тока.

Управляющий вход силового регулятора 1 подключен к выходу измерительно-усилительного блока 9, входы которого соединены соответственно с источником 10 опорного сигнала и выходом датчика 2 тока. Между общей шиной и управляющим входом силового регулируемого элемента 6 включен регулируемый элемент 11, при этом к управляющему входу силового регулируемого элемента 6 подключен также выход согласующе-усилительного блока 4, вход которого подсоединен к первому выводу для подключения нагрузки 8, а его общий вывод подключен к общей шине, к которой подключен также общий вывод измерительного блока 12. К входу регулируемого элемента 11 подключен выход измерительного блока 12, входы которого подключены соответственно к первому и второму выводам силового регулируемого элемента 6.

Реостатный блок 13 (фиг.2) содержит источник 17 опорного напряжения, первый 18 и второй 19 силовые транзисторы, согласующий усилитель 20, делитель 21 напряжения, первый 22 и второй 23 конденсаторы, первый 24 и второй 25 балластные резисторы, первый 26, второй 27 и третий 28 диоды, первый 29, второй 30, третий 31 и четвертый 32 резисторы. Делитель 21 напряжения содержит резисторы 33 и 34.

В качестве первого силового вывода 14 реостатного блока 13 использован первый вывод первого балластного резистора 24, второй вывод которого подключен к коллектору первого силового транзистора 18. Первый вывод источника 17 опорного напряжения через первый резистор 29 и первый диод 26, включенный в прямом направлении, связан с базой первого силового транзистора 18, промежуток база-эмиттер которого шунтирован первым конденсатором 22, вторым резистором 30 и включенным в обратном направлении вторым диодом 27.

Эмиттер первого транзистора 18 и первый вывод второго балластного резистора 25 объединены и их общий вывод использован в качестве второго силового вывода 15 реостатного бока 13. К выводу 15 подключен первый вывод второго конденсатора 23 через параллельно соединенные третий резистор 31 и третий диод 28, включенный в обратном направлении. Второй вывод второго балластного резистора 25 подключен к коллектору второго силового транзистора 19, база которого подключена к выходу согласующего усилителя, вход которого через делитель 21 напряжения подключен к первому выводу второго конденсатора 23. Второй вывод конденсатора 23 подключен к общей шине реостатного блока 13, к которой подключены также общий вывод делителя 21 напряжения, общий вывод согласующего усилителя 20, второй вывод источника 17 опорного напряжения и первый вывод четвертого резистора 32, второй вывод которого соединен с эмиттером второго транзистора 19.Вывод общей шины реостатного блока 13 использован в качестве его общего вывода 16.

Представленный на фиг. 3 вариант выполнения измерительного блока 12 содержит делитель напряжения (резисторы 35 и 36), ограничитель напряжения (резистор 37 и стабилитрон 38), аналоговый перемножитель 39, блок 40 сравнения напряжений, источник 41 опорного напряжения, согласующий блок 42, вход которого подключен к выходу блока 40 сравнения напряжений. Входы блока 40 сравнения напряжений соединены соответственно с источником 41 опорного напряжения и выходом аналогового перемножителя 39, входы которого подключены соответственно к выходам делителя и ограничителя напряжений. Общие выводы делителя и ограничителя напряжений, а также общие выводы блоков 39-42 подключены к общей шине. Входы делителя и ограничителя напряжений использованы в качестве соответствующих входных выводов измерительного блока 12, а выход согласующего блока 42 в качестве выходного вывода блока 12.

Стабилизатор постоянного тока работает следующим образом.

Первый контур автоматического регулирования контур стабилизации постоянного тока в нагрузке 8 содержит элементы 1 3, 8 10 и представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования стабилизирующего типа. Стабилизируемый постоянный ток I_н преобразуется в датчике 2 тока в сигнал, который поступает на один из входов измерительно-усилительного блока 9. На другой вход этого блока поступает сигнал от источника 10 опорного сигнала. При отклонении величины тока I_н от требуемого (заданного) значения на выходе измерительно-усилительного блока 9 появляется сигнал рассогласования, который поступает на управляющий вход силового регулятора 1. Под действием этого сигнала рассогласования ток на выходе силового регулятора 1 изменяется до тех пор, пока его значение не станет приблизительно равным требуемому значению тока I_н (с точностью до величины действующего рассогласования в контуре авторегулирования, при большом усилении в контуре авторегулирования действующее рассогласование пренебрежимо мало).

Второй контур автоматического регулирования контур подавления пульсация напряжения на нагрузке 8 включает элементы 1, 3, 4, 7, 13 и представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования стабилизирующего типа (стабилизация нулевого значения, с точностью до величины действующего рассогласования). Переменная составляющая U выходного напряжения силового регулятора 1 (напряжение пульсаций) передается к входу согласующе-усилительного блока 4 и вызывает появление на его выходе переменного напряжения, поступающего на управляющий вход силового регулируемого элемента 6, что вызывает в свою очередь протекание через силовой регулируемый элемент 6 переменного тока I (ток I отбирается от силового регулятора 1). Падение напряжения U_др. на индуктивном сопротивлении дросселя 3 (его активным сопротивлением пренебрегаем), обусловленное током I обеспечивает снижение напряжения пульсаций на нагрузке 8 (переменной составляющей тока через нагрузку 8 пренебрегаем по сравнению с I ).

Ток I протекает через гасящий резистор 7, создавая на последнем падение напряжения, вследствие чего снижается мощность потерь в силовом регулируемом элементе 6. При регулировании величины тока в нагрузке на нижнем участке диапазона регулирования тока реостатный блок 13 автоматически шунтирует гасящий резистор 7. Эта мера обеспечивает нормальную работу силового регулируемого элемента 6 по подавлению пульсаций несмотря на снижение постоянного напряжения на нагрузке 8.

Если в процессе регулирования тока нагрузки 8 пульсирующее напряжение на силовом регулируемом элементе 6 превысит в минимуме допустимое значение (в смысле допустимой мощности потерь в силовом регулируемом элементе 6), то реостатный блок 13, автоматически шунтирует по постоянному току силовой регулируемый элемент 6, вследствие чего падение напряжения на гасящем резисторе 7 возрастает и напряжение (в минимуме) на силовом регулируемом элементе 6 удерживается вблизи допустимого значения. Эта мера обеспечивает снижение мощности потерь в силовом регулируемом элементе 6 без ухудшения подавления пульсаций. Обсуждаемый второй контр авторегулирования обеспечивает таким образом подавление напряжения пульсаций на нагрузке 8 до уровня напряжения действующего рассогласования в этом контуре (U_д U U_др здесь записаны мгновенные значения соответствующих напряжений). При большом усилении в этом контуре авторегулирования напряжения действующего рассогласования U_д составляет малую долю напряжения пульсаций U таким образом второй контур авторегулирования обеспечивает эффективное подавление пульсаций.

Третий контур автоматического регулирования контур защиты силового регулируемого элемента 6 включает в себя элементы 5, 6, 11 и представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования. Падение напряжения на измерительном шунте 5, обусловленное током I через силовой регулируемый элемент 6, поступает на один из входов измерительного блока 12, на другой его вход поступает напряжение, приложенное к силовой цепи силового регулируемого элемента 6 (падением напряжения на измерительном шунте 5 можно в данном случае пренебречь, так как оно составляет всего десятки мВ). По этим данным в измерительном блоке 12 определяется мгновенная мощность потерь в силовом регулируемом элементе 6. Если указанная мощность потерь превысит допустимое значение, на выходе измерительного блока 12 появляется напряжение, которое приоткрывает регулируемый элемент 11, напряжение на управляющем входе силового регулируемого элемента 6 ограничивается, соответственно ограничивается ток I через силовой регулируемый элемент 6, это означает, что на заданном уровне ограничивается мощность потерь в силовом регулируемом элементе 6. Следовательно, контур защиты обеспечивает эффективную защиту от перегрузки и выхода из строя силового регулируемого элемента 6 стабилизатора тока.

Выше рассмотрена работа блоков 13 и 12 в структуре стабилизатора тока. Следовательно, при относительно большом токе в нагрузке 8 напряжение U_р на силовом регулируемом элементе 6 будет больше опорного напряжения U_оп, вырабатываемого источником 17 опорного напряжения. При этом первый силовой транзистор 18 закрыт. При регулировании тока нагрузки 8 в сторону уменьшения в какой-то момент U_оп превысит U_р и произойдет отпирание транзистора 18. При этом параллельно гасящему резистору 7 будет подключен балластный резистор 24. Таким образом, блок 13 при определенных условиях автоматически обеспечивает шунтирование гасящего резистора 7.

Резистор 29 служит для ограничения тока, отбираемого от источника 17. Диод 26 обеспечивает отключение и, таким образом, защиту источника 17 при U_р > U_оп. Диод 27 и резистор 30 защищают переход база-эмиттер транзистора 18 от появления большого обратного напряжения, конденсатор 22 устраняет возбуждение паразитных колебаний.

Узел, содержащий конденсатор 23, диод 28 и резистор 31, детектирует минимум в пульсирующем напряжении, которое действует на силовом регулируемом элементе 6. Другими словами, при относительно большой постоянной времени R₃₁ C ₂₃ (R₃₁ и С₂₃ величины сопротивления и емкости резистора 31 и конденсатора 23 соответственно) напряжение на конденсаторе 23 соответствует напряжению в минимуме указанного пульсирующего напряжения. Напряжение с конденсатора 23 через делитель 21 напряжения и согласующий усилитель 20 поступает на базу второго силового транзистора 19 и приоткрывает его. Этим автоматически обеспечивается шунтирование блоком 13 силового регулируемого элемента 6 по постоянному току, благодаря чему достигается снижение уровня постоянной составляющей напряжения на силовом регулируемом элементе 6 и, таким образом, снижение мощности потерь в элементе 6. Перечисленные элементы образуют замкнутый контур отрицательной обратной связи, который автоматически поддерживает на допустимо низком уровне постоянную составляющую напряжения на элементе 6 (здесь под допустимо низким уровнем постоянной составляющей напряжения на элементе 6 понимается уровень, при котором не происходит снижения качества работы контура подавления пульсаций). Указанная постоянная составляющая напряжения устанавливается на необходимом уровне автоматически при соответствующем выборе параметров делителя 21, согласующего усилителя 20, а также резисторов 25 и 32.

Подводимые на входы измерительного блока 12 напряжения поступают через делитель (резисторы 35, 36) и ограничитель (резистор 37, стабилитрон 38) напряжения соответственно на входы аналогового перемножителя 39. Мгновенное значение выходного напряжения перемножителя 39 пропорционально мгновенному значению мощности потерь в силовой цепи силового регулируемого элемента 6. Напряжение с выхода перемножителя 39 поступает на один из входов блока 40 сравнения напряжений, на другой его вход поступает напряжение от источника 41 опорного напряжения. Пока выходное напряжение перемножителя 39 (мгновенное значение в любой момент времени) меньше опорного напряжения, уровень напряжения на выходе блока 40 сравнения такой, что связанный с ним через согласующий блок 42 регулируемый элемент 11 заперт и не оказывает влияния на работу контура подавления пульсаций. Как только мгновенное значение выходного напряжения перемножителя 39 превысит опорное напряжение, выходное напряжение блока 40 сравнения (и соответственно выходное напряжение блока 12) становится таким, что регулируемый элемент 11 приоткрывается, что приводит к ограничению тока I Далее все происходит так, как описано выше при описании работы стабилизатора в целом.

Формула изобретения

СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий силовой регулятор, датчик тока, силовой регулируемый элемент, вход которого подключен к выходу согласующе-усилительного блока, и дроссель, при этом первый вывод для поключения нагрузки соединен через гасящий резистор с первым выводом силового регулируемого элемента, а через дроссель - с первым выходным выводом силового регулятора, второй выходной вывод которого соединен с общей шиной, к которой через датчик тока подсоединен второй вывод для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного сигнала и выходом датчика тока, отличающийся тем, что в него введены регулируемый элемент, включенный между общей шиной и управляющим входом силового регулируемого элемента, вход согласующе-усилительного блока подсоединен к первому выводу для подключения нагрузки, а его общий вывод - к общей шине, реостатный блок, измерительный шунт и измерительный блок, выход которого подключен к управляющему входу регулируемого элемента, общий вывод - к общей шине, а входы подключены к первому и второму выводам силового регулируемого элемента, причем второй вывод последнего через измерительный шунт соединен с общей шиной, с которой соединен также общий вывод реостатного блока, который подключен силовыми выводами параллельно гасящему резистору, реостатный блок выполнен на основе источника опорного напряжения, первого и второго силовых транзисторов, согласующего усилителя, делителя напряжения, первого и второго конденсаторов, первого и второго балластных резисторов, первого, второго и третьего диодов, первого, второго, третьего и четвертого резисторов, при этом в качестве первого силового вывода реостатного блока использован первый вывод первого балластного резистора, второй вывод которого подключен к коллектору первого силового транзистора, база которого соединена с выводом источника опорного напряжения через последовательно соединенные первый резистор и первый диод, включенный в прямом направлении, промежуток база-эмиттер первого силового транзистора шунтирован первым конденсатором, вторым резистором и включенным в обратном направлении вторым диодом, эмиттер первого силового транзистора и первый вывод второго балластного резистора объединены и их общий вывод использован в качестве второго силового вывода реостатного блока, к которому подключен первый вывод второго конденсатора через параллельно соединенные третий резистор и третий диод, включенный в обратном направлении, второй вывод второго балластного резистора подключен к коллектору второго силового транзистора, база которого подключена к выходу согласующего усилителя, вход которого через делитель напряжения подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине реостатного блока, к которой подключены также общие выводы делителя напряжения и согласующего усилителя, второй вывод источника опорного напряжения и первый вывод четвертого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером второго силового транзистора, вывод общей шины реостатного блока использован в качестве его общего вывода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3