Стабилизатор постоянного тока

 

Использование: в стабилизированных источниках тока. Сущность изобретения: устройство содержит силовой регулятор 1, измерительно-усилительный блок 2, источник 3 опорного напряжения, датчик 4 тока. Последний выполнен на магнитомодуляционном преобразователе 6 постоянного тока и генераторе 7 однополярных импульсов, включающем в себя задающий генератор 8 и два канала 9 формирования однополярных импульсов. Устройство обладает повышенной технологичностью конструкции. 1 ил.

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

Известен стабилизатор постоянного тока [1] который содержит силовой регулятор, соединенный через датчик тока с выводами для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного напряжения и выходом датчика тока, который выполнен на базе эталонного резистора, демодулятора, усилителя постоянного тока, вход которого подключен к выходу демодулятора, генератора однополярных импульсов и магнитомодуляционного узла, включающего два рабочих магнитопривода с обмотками возбуждения на каждом из них, магнитный экран, измерительную и компенсационную обмотки, которые охватывают рабочие магнитопроводы и магнитный экран, обмотки возбуждения соединены последовательно-встречно, компенсационная обмотка подключена к выходу усилителя постоянного тока через эталонный резистор, потенциальные выводы которого являются выходными выводами датчика тока, а выводы измерительной обмотки использованы в качестве его входных выводов.

Основной недостаток известного устройства снижение надежности стабилизатора при использовании его в диапазоне больших токов (выше нескольких кА). Объясняется это следующими обстоятельствами.

Генератор однополярных импульсов известного устройства вырабатывает однополярные импульсы в виде половины синусоиды, амплитуда которых пропорциональна номинальному значению тока стабилизатора. Импульсы тока возбуждения формуются оконечным транзисторным каскадом генератора, работающим в активном режиме формирования импульсов тока, т.е. в режиме генератора тока. Такой режим работы характеризуется большими потерями мощности в транзисторе, вследствие чего надежность каскада снижается. Более того, с переходом подобных стабилизаторов тока в диапазон больших токов, указанные трудности будут возрастать: придется использовать в оконечном каскаде несколько параллельно работающих транзисторов, что само по себе уже снижает надежность генератора однополярных импульсов и устройства в целом.

Известен стабилизатор постоянного тока [2] являющийся наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению, который содержит силовой регулятор, соединенный через датчик тока с выводами для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного напряжения и выходом датчика тока, который выполнен на основе генератора однополярных импульсов и магнитомодуляционного преобразователя постоянного тока, входные и выходные выводы которого использованы в качестве соответственно входных и выходных выводов датчика тока, а к выводам возбуждения подключены соответственно выходные выводы генератора однополярных импульсов, включающего в себя задающий генератор, первый и второй каналы формирования однополярных импульсов, при этом первый канал формирования однополярных импульсов выполнен на базе блока формирования, тиристора, стабилитрона, конденсатора, первого, второго и третьего резисторов.

Основной недостаток прототипа низкая технологичность конструкции. Объясняется это следующим обстоятельством. Силовой трансформатор генератора однополярных импульсов участвует в формировании относительно коротких, но имеющих относительно большую амплитуду, импульсов возбуждения магнитомодуляционного узла. Этот трансформатор должен удовлетворять требованиям силового трансформатора и импульсного. При этом изготовлении появляются и должны выполняться нестандартные для производства стабилизаторов требования в отношении магнитных материалов, выполнения обмоток и др. (малая толщина пластин или ленты магнитного материала, выполнение обмоток в несколько "ниток" и т.д.). Шунтирование соответствующей обмотки этого трансформатора блокировочным конденсатором несколько снижает жесткие требования, предъявляемые импульсным режимом, но при этом происходит загрузка трансформатора реактивным током, что ограничивает возможности такого решения в достижении требуемого технического эффекта. Таким образом, использование унифицированных силовых трансформаторов при реализации прототипа практически ограничено или неэффективно. Можно отметить также, что удовлетворение специфических требований к указанному трансформатору достигается за счет увеличения расхода магнитных материалов и обмоточных проводов.

Целью изобретения является повышение технологичности конструкции устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизатор постоянного тока, содержащий силовой регулятор, соединенный через датчик тока с выводами для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного напряжения и выходом датчика тока, который выполнен на основе генератора однополярных импульсов и магнито-модуляционного преобразователя постоянного тока, входные и выходные выводы которого использованы в качестве соответственно входных и выходных выводов датчика тока, а к выводам возбуждения подключены соответственно выходные выводы генератора однополярных импульсов, включающего в себя задающий генератор, первый и второй каналы формирования однополярных импульсов, при этом первый канал формирования однополярных импульсов выполнен на базе блока формирования, тиристора, стабилитрона, конденсатора, первого, второго и третьего резисторов, введены источник питания постоянного напряжения, первый и второй транзисторы, три диода и три вспомогательных резистора, управляющий электрод тиристора и база второго транзистора соответственно через первый и второй вспомогательные резисторы соединены с первым выходным выводом блока формирования, а через первый и второй резисторы с общей шиной генератора однополярных импульсов, к которой подключены второй выходной вывод блока формирования, катод тиристора, эмиттер второго транзистора, анод стабилитрона, соответствующий вывод источника питания постоянного напряжения и первый вывод конденсатора, второй вывод которого через первый диод соединен с первым выходным выводом генератора однополярных импульсов, с которым через второй диод соединен первый выходной вывод второго канала формирования однополярных импульсов, второй выходной вывод которого подключен к второму выходному выводу генератора однополярных импульсов, в качестве которого использован анод тиристора, кроме того, второй вывод конденсатора через последовательно соединенные третий вспомогательный резистор и диод подключен к эмиттеру первого транзистора, база которого подключена непосредственно к коллектору второго транзистора и катоду стабилитрона, а через третий резистор к соответствующему выводу источника питания постоянного напряжения, к которому подключен также коллектор первого транзистора, вход блока формирования и вход второго канала формирования однополярных импульсов подключены к выходу задающего генератора.

Существенными отличительными признаками, достаточными для достижения технического результата являются: первый и второй транзисторы, источник питания постоянного напряжения, три диода и три вспомогательных резистора, а также новые связи между элементами.

В описываемом техническом решении благодаря введению в стабилизатор новых признаков достигается повышение технологичности конструкции стабилизатора. Здесь, в формировании импульсов тока возбуждения (относительно коротких, но относительно большой амплитуды) непосредственное участие принимают конденсатор, тиристор и один из диодов (собственно по этим элементам генератора однополярных импульсов этот импульсный ток протекает). Другие силовые элементы генератора однополярных импульсов (в том числе и силовой трансформатор источника питания постоянного напряжения) работает в обычных режимах, используемых в устройствах электропитания. Таким образом, стабилизаторы тока могут выполняться на основе унифицированных и стандартных элементов, выпускаемых промышленностью. Достигнут требуемый технический результат.

На чертеже представлена блок-схема стабилизатора постоянного тока.

Устройство содержит силовой регулятор 1, измерительно-усилительный блок 2, источник 3 опорного напряжения, датчик 4 тока, нагрузку 5. Силовой регулятор 1 через датчик 4 тока соединен с выводами для подключения нагрузки 5, управляющий вход силового регулятора 1 подключен к выходу измерительно-усилительного блока 2, входы которого соединены соответственно с источником 3 опорного напряжения и выходом датчика 4 тока.

В состав датчика 4 тока входят магнитомодуляционный преобразователь 6 постоянного тока и генератор 7 однополярных импульсов. В качестве входных и выходных выводов датчика 4 тока использованы соответственно входные и выходные выходы магнитомодуляционного преобразователя 6 постоянного тока, к выводам возбуждения которого подключены соответственно выходные выводы генератора 7 однополярных импульсов.

Генератор 7 однополярных импульсов включает в себя задающий генератор 8, первый и второй 9 каналы формирования однополярных импульсов, при этом первый канал формирования однополярных импульсов выполнен на базе блока 10 формирования, тиристора 11, конденсатора 12, стабилитрона 13, источника 14 питания постоянного напряжения, первого 15 и второго 16 транзисторов, диодов 17, 18 и 19, резисторов 20-25. Управляющий электрод тиристора 11 и база второго транзистора 16 соответственно через резисторы 20 и 22 соединены с первым выходным выводом блока 10 формирования, а через резисторы 21 и 23 с общей шиной генератора 7 однополярных импульсов. К общей шине подключены также второй выходной вывод блока 10 формирования, катод тиристора 11, эмиттер второго транзистора 16, анод стабилитрона 13, соответствующий вывод источника 14 питания постоянного напряжения и первый вывод конденсатора 12, второй вывод которого через диод 18 соединен с первым выходным выводом генератора 7 однополярных импульсов, с которым через диод 19 соединен первый выходной вывод второго канала 9 формирования однополярных импульсов, второй выходной вывод которого подключен к второму выходному выводу генератора 7 однополярных импульсов. Анод тиристора 11 служит вторым выходным выводом генератора 7 однополярных импульсов. Кроме того, второй вывод конденсатора 12 через последовательно соединенные диод 17 и резистор 25 подключен к эмиттеру первого транзистора 15, база которого подключена непосредственно к коллектору второго транзистора 16 и катоду стабилитрона 13, а через резистор 24 к соответствующему выводу источника 14 питания постоянного напряжения, к которому подключен также коллектор первого транзистора 15.

Стабилизатор постоянного тока работает следующим образом. Стабилизируемый ток (ток I_н в нагрузке 5) поступает на вход датчика 5 тока, в котором преобразуется в напряжения U_g. Это напряжение с выхода датчика 4 тока поступает на один из входов измерительно-усилительного блока 2, на другой вход которого подается опорное напряжение U_оп от источника 3 опорного напряжения. Стабилизатор тока представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования. Напряжение U_g в измерительно-усилительном блоке 2 сравнивается с опорным напряжением U_оп. Если U_g ≠ U_оп на выходе измерительно-усилительного блока 2 появляется сигнал рассогласования, который поступает на управляющий вход силового регулятора 1. Под действием этого сигнала ток I_н изменяется до тех пор, пока стабилизатор не придет в равновесное состояние, описываемое соотношением U_g U_оп Δ U_p, где Δ U_р действующее рассогласование в замкнутой системе автоматического регулирования. При большом усилении в системе авторегулирования Δ U_р становится пренебрежимо малой величиной, поэтому с учетом того, что U_g K I_н, имеем I_н U_оп/K, где К коэффициент преобразования датчика 4 тока.

Преобразование тока I_н в напряжение U_g осуществляется в магнитомодуляционном преобразователе 6 постоянного тока, который является одним из узлов датчика 4 тока. Магнитомодуляционный преобразователь 6 постоянного тока обладает высокими метрологическими характеристиками (малый дрейф нуля, обусловленный "магнитной памятью", отсутствие "ложных нулей" на статической характеристике его детектора разбаланса ампервитков) при одновременном возбуждении его магнитного модулятора относительно короткими (τ_n1 < 0,1 Т) импульсами большой амплитуды (I_mb1W₂ > 2I_нmaxW_н) и относительно длинными (0,1T < τ_n2 < 0,5 Т) импульсами малой амплитуды (I_mb2W_b ≈ (10-100) ампервитков). Однополярные импульсы с требуемыми характеристиками вырабатываются соответственно в первом и втором 9 каналах формирования однополярных импульсов, входящих в генератор 7 однополярных импульсов. Здесь τ_n1,τ_n2 и I_mb1, I_mb2 соответственно длительности и амплитуды импульсов, вырабатываемых первым и вторым каналами генератора 7 однополярных импульсов, Т период повторения импульсов.

Генератор 7 однополярных импульсов работает следующим образом. Задающий генератор 8 вырабатывает импульсы с периодом повторения Т, которые поступают на вход второго канала 9 формирования однополярных импульсов и на блок 10 формирования, который входит во второй канал формирования однополярных импульсов. Выходы первого и второго каналов соединены между собой и образуют выход генератора 7 однополярных импульсов. С этого выхода на вход возбуждения магнитомодуляционного преобразователя 6 постоянного тока поступают одновременно две последовательности однополярных импульсов, вырабатываемые первым и вторым каналами при поступлении на их входы импульсов от задающего генератора 8. Диоды 18 и 19 в общем случае предотвращают взаимное шунтирование каналов (диод 18 включен в обратном направлении относительно импульса, вырабатываемого вторым каналом 9; соответственно диод 19 относительно импульса, вырабатываемого первым каналом).

Блок 10 формирования при приходе на его вход импульсов от задающего генератора 8 вырабатывает импульсы запуска (для первого канала), которые поступают через резисторы 20 и 22 соответственно на управляющий электрод тиристора 11 и базу второго транзистора 16. При появлении импульса запуска тиристор 11 отпирается, одновременно с ним отпирается второй транзистор 16, который удерживается в открытом состоянии в течение времени действия импульса запуска. Отпирание второго транзистора 16 приводит к запиранию первого транзистора 15 и, соответственно, к отключению источника 14 питания постоянного напряжения от конденсатора 12 на все время действия импульса запуска. Через открытый тиристор 11, заряженный примерно до напряжения стабилизации стабилитрона 13, конденсатор 12 оказывается подключенным к обмоткам возбуждения магнитомодуляционного преобразователя 6 постоянного тока. В результате разряда конденсатора 12 в обмотках возбуждения магнитомодуляционного преобразователя 6 формируются импульсы возбуждения относительно короткие, но большой амплитуды. По окончании разряда конденсатора 12 тиристор 11 выключается и восстанавливает свою вентильную прочность. В это время напряжение от источника 14 на конденсатор 12 не поступает (транзистор 15 заперт), так как длительность импульса запуска выбирается больше времени разряда конденсатора 12 и времени восстановления вентильной прочности тиристора 11 с определенным запасом. По окончании импульса запуска первый транзистор 15 отпирается (так как запирается второй транзистор 16), конденсатор 12 через резистор 25 и диод 17 заряжается примерно до напряжения стабилизации стабилитрона 13. При поступлении очередного импульса от задающего генератора 8 процесс повторяется. Резистор 25 служит для ограничения тока заряда конденсатора 12, диод 17 "отсекает" конденсатор 12 от "зарядной" части первого канала, обеспечивая протекание его разрядного тока через "разрядную" часть.

Каждый из импульсов задающего генератора 8 запускает в действие первый и второй каналы генератора 7 однополярных импульсов, в результате чего на его выходе существует две последовательности однополярных импульсов. Требуемое временное положение импульсов одной последовательности по отношению к импульсам другой последовательности устанавливается, например, путем соответствующей временной задержки импульса запуска в блоке 10 формирования.

Формула изобретения

СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий силовой регулятор, соединенный через датчик тока с выводами для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного напряжения и выходом датчика тока, который выполнен на основе генератора однополярных импульсов и магнитомодуляционного преобразователя постоянного тока, входные и выходные выводы которого использованы в качестве соответственно входных и выходных выводов датчика тока, а к выводам возбуждения подключены соответственно выходные выводы генератора однополярных импульсов, включающего в себя генератор, первый и второй каналы формирования однополярных импульсов, при этом первый канал формирования однополярных импульсов выполнен на базе блока формирования, тиристора, стабилитрона, конденсатора, первого, второго и третьего резисторов, отличающийся тем, что в него введены источник питания постоянного напряжения, первый и второй транзисторы, три диода и три вспомогательных резистора, управляющий электрод тиристора и база второго транзистора соответственно через первый и второй вспомогательные резисторы соединены с первым выходным выводом блока формирования, а через первый и второй резисторы - с общей шиной генератора однополярных импульсов, к которой подключены второй выходной вывод блока формирования, катод тиристора, эмиттер второго транзистора, анод стабилитрона, соответствующий вывод источника питания постоянного напряжения и первый вывод конденсатора, второй вывод которого через первый диод соединен с первым выходным выводом генератора однополярных импульсов, с которым через второй диод соединен первый выходной вывод второго канала формирования однополярных импульсов, второй выходной вывод которого подключен к второму выходному выводу генератора однополярных импульсов, в качестве которого использован анод тиристора, кроме того, второй вывод конденсатора через последовательно соединенные третий вспомогательный резистор и диод подключен к эмиттеру первого транзистора, база которого подключена непосредственно к коллектору второго транзистора и катоду стабилитрона, а через третий резистор - к соответствующему выводу источника питания постоянного напряжения, к которому подключен также коллектор первого транзистора, вход блока формирования и вход второго канала формирования однополярных импульсов подключены к выходу задающего генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1