Система вторичного электропитания

 

Использование: в источниках вторичного электропитания, в частности при реализации электропитания ответственной радиоэлектронной аппаратуры. Технический результат - повышение надежности и коэффициента полезного действия системы в процессе эксплуатации. Сущность изобретения: система содержит стабилизирующие источники напряжения постоянного тока, регулирующие элементы которых выполнены на биполярных транзисторах, датчики тока силовой цепи, датчики тока управляющей цепи, измерительные компараторы, суммирующие усилители, управляющие компараторы, разделительные диоды, первые делители, вторые делители, узел сравнения. Более точное равномерное распределение токов между источниками при одновременной стабилизации напряжения на нагрузке достигается тем, что сигналы, подаваемые на управляющие входы соответствующих регулирующих биполярных транзисторов, учитывают как отличия токов источников, так и коэффициенты передачи этих транзисторов по току. Более точное распределение токов между источниками позволяет увеличить КПД системы и надежность ее работы, тем самым повысить ее экономичность и снизить затраты на эксплуатацию. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания.

Известна система вторичного электропитания, содержащая N параллельно включенных источников напряжения постоянного тока, N индивидуальных датчиков тока, датчик выходного напряжения, источник эталонного напряжения, узел сравнения напряжений, источник опорного напряжения контура регулирования тока (датчик среднего тока), N элементов сравнения, N элементов суммирования [1] Известная система позволяет осуществлять стабилизацию выходного напряжения и равномерно распределять токи между источниками за счет введения отрицательных обратных связей по напряжению и по току. Результирующие управляющие сигналы соответствующих источников формируются в результате суммирования двух сигналов: контура регулирования напряжения и контура регулирования тока.

Недостатками данной системы являются заметные потери мощности в измерительных цепях, снижение надежности за счет введения дополнительного источника опорного напряжения и невысокая точность распределения токов между источниками из-за неодинакового изменения сопротивлений регулирующих транзисторов при общем управляющем сигнале по отклонению напряжения, обусловленного разбросом параметров транзисторов.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является система вторичного электропитания, содержащая N стабилизирующих источников напряжения постоянного тока, N измерительных компараторов, N управляющих компараторов, N разделительных диодов [2] Известная система позволяет без использования датчика среднего тока, за счет простого схемного решения осуществлять равномерное токораспределение между источниками, что повышает ее надежность.

Однако недостатком данной системы также является невысокая точность распределения токов между источниками, которая возникает при осуществлении процесса стабилизации выходного напряжения при использовании общего сигнала управления регулирующими биполярными транзисторами по отклонению напряжения, что приводит к снижению КПД системы.

Целью изобретения является повышение надежности и коэффициента полезного действия системы в процессе эксплуатации.

Для достижения указанной цели в систему вторичного электропитания, содержащую N стабилизирующих источников напряжения постоянного тока, N датчиков тока силовой цепи, N измерительных и N управляющих компараторов, N разделительных диодов, причем одни однополярные выходные выводы стабилизирующих источников напряжения постоянного тока непосредственно, а другие однополярные выходные выводы через соответствующие датчики тока силовой цепи соединены с соответствующими выводами для подключения нагрузки, неинвертирующие входы измерительных компараторов соединены с выходами соответствующих датчиков тока силовой цепи и с инвертирующими входами соответствующих управляющих компараторов, неинвертирующие входы которых подключены к инвертирующим входам соответствующих измерительных компараторов и к первым одноименным выводам всех разделительных диодов, вторые одноименные выводы которых соединены с выходами соответствующих измерительных компараторов, дополнительно введены N датчиков тока управляющей цепи, N суммирующих усилителей, N первых и N вторых делителей и узел сравнения, причем входы делимого первых делителей соединены с выходами соответствующих датчиков тока силовой цепи, входы делителя с выходами соответствующих датчиков тока управляющей цепи, а выходы подключены к входам делителя соответствующих вторых делителей, входы делимого которых соединены с выходом узла сравнения, входом подключенного к выводам для подключения нагрузки, первые входы суммирующих усилителей соединены с выходами соответствующих управляющих компараторов, вторые входы с выходами соответствующих вторых делителей, а выходы через соответствующие датчики тока управляющей цепи подключены к управляющим входам соответствующих стабилизирующих источников напряжения постоянного тока.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Для равномерного распределения токов между N источниками напряжения постоянного тока, включенными параллельно на общие шины нагрузки, должно выполнять следующее условие: (R_вн1 + R_рэ1 (R_внi + R_рэi) (R_внN + R_рэN), (1) где R_внi внутреннее сопротивление i-го источника напряжений; R_рэi сопротивление регулирующего элемента i-го источника напряжения.

Известная система вторичного электропитания [2] обеспечивает выполнение условия (1) за счет формирования соответствующих управляющих сигналов U'_уi для тех источников, у которых токи отличаются от максимального значения тока какого-либо из источников.

Для компенсации отклонения выходного напряжения от заданного необходимо изменять сопротивления всех регулирующих элементов. При этом для сохранения равномерного распределения токов необходимо, чтобы суммарные сопротивления параллельных ветвей остались равными друг другу, т.е. выполнялось бы условие где ΔR_i приращение сопротивления i-го регулирующего элемента как функция от управляющего сигнала по отклонению выходного напряжения (U"_уi).

В силу того, что регулирующие элементы (биполярные транзисторы) имеют неодинаковые параметры (в частности, коэффициент передачи по току), при подаче общего сигнала управления U"_у по отклонению выходного напряжения на регулирующие элементы всех источников обеспечить одинаковое приращение сопротивлений ΔR_i параллельных ветвей не представляется возможным, произойдет нарушение равномерного распределения токов и условие (2) не будет выполняться.

Для выполнения условия (2) необходимо общий управляющий сигнал U"_у по отклонению выходного напряжения корректировать для каждого регулирующего элемента (биполярного транзистора) источников с учетом его коэффициента передачи по току α_i, который в общем случае равен где I_выхi и I_вхi выходной и входной токи i-го регулирующего транзистора соответственно.

Конкретные названия входных и выходных токов регулирующих транзисторов определяются исходя из конкретной схемы включения этих транзисторов.

Таким образом, скорректированный сигнал управления по отклонению выходного напряжения для i-го регулирующего транзистора будет определяться выражением

где U_вых и U_оп выходное напряжение и напряжение опорного источника;
k коэффициент передачи.

Для реализации выражений (3) и (4) в схему i-го источника напряжения постоянного тока необходимо ввести два делителя: первый для получения сигнала (напряжения), пропорционального коэффициенту передачи по току α_i,, а второй для получения сигнала (напряжения), пропорционального U"_уi.

Общий управляющий сигнал i-го регулирующего транзистора будет определяться как сумма сигналов: скорректированного сигнала по отклонению выходного напряжения U"_уi и сигнала U'_уi, формируемого схемой распределения токов [2]
Функциональная схема системы вторичного электропитания представлена на фиг. 1, где 1.1-1.N стабилизирующие источники напряжения постоянного тока, 2.1-2. N датчики тока силовой цепи, 3.1-3.N датчики тока управляющей цепи, 4.1-4. N измерительные компараторы, 5.1-5.N суммирующие усилители, 6.1-6.N управляющие компараторы, 7.1-7.N разделительные диоды, 8.1-8.N первые делители, 9.1-9.N вторые делители, 10 узел сравнения, 11 нагрузка.

Одни однополярные выходные выводы источников 1.1-1.N непосредственно, а другие однополярные выходные выводы через соответствующие датчики тока силовой цепи 2.1-2.N соединены с соответствующими выводами для подключения нагрузки 11. Неинвертирующие входы измерительных компараторов 4.1-4.N соединены с выходами соответствующих датчиков тока силовой цепи 2.1-2.N и с неинвертирующими входами соответствующих управляющих компараторов 6.1-6.N. Первые одноименные выводы разделительных диодов 7.1-7. N подключены к соответствующим инвертирующим входам измерительных компараторов 4.1-4.N и неинвертирующим входам управляющих компараторов 6.1-6. N, вторые одноименные выводы разделительных диодов 7.1-7.N соединены с выходами соответствующих измерительных компараторов 4.1-4.N. Входы делимого первых делителей 8.1-8.N соединены с выходами соответствующих датчиков тока силовой цепи 2.1-2.N, входы делителя с выходами соответствующих датчиков тока управляющей цепи 3.1-3. N. Входы делимого вторых делителей 9.1-9.N соединены с выходом узла сравнения 10, а входы делителя с выходами соответствующих первых делителей 8.1-8.N. Вход узла сравнения 10 подключен к выводам для подключения нагрузки 11. Первые входы суммирующих усилителей 5.1-5.N соединены с выходами соответствующих управляющих компараторов 6.1-6.N, вторые входы с выходами соответствующих вторых делителей 9.1-9.N. Выходы суммирующих усилителей 5.1-5.N через соответствующие датчики тока управляющей цепи 3.1-3.N подключены к управляющим входам соответствующих стабилизирующих источников напряжения постоянного тока 1.1-1.N.

Стабилизирующие источники напряжения постоянного тока 1.1-1.N выполнены с регулирующими элементами на биполярных транзисторах.

Датчики тока силовой цепи 2.1-2. N служат для формирования сигналов, пропорциональных токам соответствующих источников напряжения 1.1-1.N.

Датчики тока управляющей цепи 3.1-3.N служат для формирования сигналов, пропорциональных управляющим токам соответствующих источников напряжения 1.1-1.N.

Измерительные компараторы 4.1-4. N работают в режиме повторителей напряжения, т. е. осуществляют перенос потенциалов выхода соответствующих датчиков тока силовой цепи 2.1-2.N в точки соединения первых одноименных выводов разделительных диодов 7.1-7.N и обеспечивают функционирование управляющих компараторов 6.1-6.N.

Суммирующие усилители 5.1-5.N осуществляют суммирование сигналов управления по отклонению токов от соответствующих управляющих компараторов 6.1-6. N и сигналов управления по отклонению напряжения от соответствующих вторых делителей 9.1-9. N, а также формирование общих управляющих сигналов, воздействующих на управляющие входы соответствующих источников 1.1-1.N. Суммирующие усилители 5.1-5. N могут быть просто реализованы на операционных усилителях [3]
Управляющие компараторы 6.1-6.N осуществляют функцию сравнения входных сигналов. При равенстве напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах управляющих компараторов 6.1-6.N их выходные напряжения равны нулю. В случае, если на каком-либо из управляющих компараторов напряжение на неинвертирующем входе будет больше напряжения на инвертирующем входе, то его выходное напряжение будет больше нуля (U^*_{вых max}). Таким образом, в случае равенства токов источников напряжения 1.1-1.N выходные сигналы управляющих компараторов 6.1-6.N равны нулю. При уменьшении значений токов каких-либо источников напряжения 1.1-1.N ниже определенного уровня соответствующие управляющие компараторы 6.1-6.N формируют управляющие сигналы на увеличение токов регулирующих транзисторов соответствующих источников напряжения до момента выравнивания напряжения на инвертирующих и неинвертирующих входах соответствующих управляющих компараторов.

Разделительные диоды 7.1-7. N служат для реализации функционирования измерительных 4.1-4.N и управляющих компараторов 6.1-6.N.

Первые делители 8.1-8.N служат для формирования сигналов (напряжений), пропорциональных коэффициентам передачи по току α_i регулирующих биполярных транзисторов соответствующих источников 1.1-1. N. Первые делители 8.1-8.N могут быть реализованы на операционных усилителях [3]
Вторые делители 9.1-9.N служат для формирования скорректированных управляющих сигналов по отклонению выходного напряжения (U"_уi) с учетом коэффициентов передачи по току соответствующих регулирующих биполярных транзисторов источников 1.1-1.N. Вторые делители могут быть реализованы аналогично первым.

Узел сравнения 10 осуществляет формирование общего управляющего сигнала по отклонению напряжения нагрузки 11 (U_вых) от напряжения опорного источника (U_оп). Узел сравнения 10 может быть реализован различным образом, в частности на операционном усилителе [4]
Система работает следующим образом.

В нормальном режиме при одинаковых токах нагрузки параллельно работающих источников 1.1-1.N сигналы на обоих входах измерительных компараторов 4.1-4. N будут одинаковыми и равными выходному сигналу датчиков тока силовой цепи 2.1-2.N, поскольку измерительные компараторы 4.1-4.N работают в режиме повторителей напряжения. При этом на обоих входах управляющих компараторов 6.1-6. N сигналы также будут одинаковыми. Управляющие компараторы реализуют функцию сравнения напряжений, подаваемых на входы, и в данном случае их выходные напряжения будут равны нулю и не будут оказывать воздействие через суммирующие усилители 5.1-5.N на регулирующие элементы источников 1.1-1.N.

Если хотя бы у одного из источников, например у источника 1.2, ток нагрузки становится больше других, то сигнал на выходе датчика тока силовой цепи 2.2 и соответственно на первом одноименном выходе диода 7.2 увеличится. В связи с тем, что первые одноименные выводы всех разделительных диодов 7.1-7. N объединены, сигнал на первом одноименном выводе диода 7.2 будет определяющим. При этом сигналы на обоих входах управляющего компаратора 6.2 останутся одинаковыми и равными по величине сигналу выхода датчика тока силовой цепи 2.2. В результате этого сигналы на неинвертирующих входах остальных управляющих компараторов 6.1-6.N становятся большими, чем на их инвертирующих входах, на которые поступают сигналы от соответствующих датчиков тока силовой цепи 2.1-1. N, что приведет к формированию на выходах этих управляющих компараторов управляющих сигналов, которые через соответствующие суммирующие усилители 5.1-5.N подаются на управляющие входы соответствующих источников, в результате чего происходит выравнивание токов источников 1.1-1.N.

При изменении выходного напряжения на нагрузке 11 узел сравнения 10 формирует управляющий сигнал, пропорциональный отклонению выходного напряжения от заданного (опорного). Этот сигнал подается на входы делимого всех вторых делителей 9.1-9. N, на входы делителя которых подаются сигналы с выходов соответствующих первых делителей 8.1-8. N, пропорциональные коэффициентам передачи по току α_i соответствующих регулирующих биполярных транзисторов источников 1.1-1. N. В результате на выходах вторых делителей формируются скорректированные управляющие сигналы, учитывающие как отклонение выходного напряжения, так и коэффициент передачи по току соответствующих регулирующих транзисторов источников 1.1-1. N. Формирование сигналов, пропорциональных коэффициентам передачи по току соответствующих регулирующих биполярных транзисторов источников 1.1-1.N, осуществляется подачей на входы делимого первых делителей 8.1-8. N сигналов с выходов соответствующих датчиков тока силовой цепи 2.1-2.N, а на входы делителя сигналов с выходов соответствующих датчиков тока управляющей цепи 3.1-3.N.

Общие управляющие сигналы, подаваемые на управляющие входы источников 1.1-1. N, формируются в результате суммирования сигналов с выходов соответствующих управляющих компараторов 6.1-6.N и вторых делителей 9.1-9.N.

Таким образом, предлагаемая система за счет соответствующей коррекции общего сигнала управления по отклонению выходного напряжения обеспечит одновременную стабилизацию выходного напряжения и равномерное распределение токов между источниками с более высокой точностью.

Экономический эффект от применения предлагаемой системы вторичного электропитания заключается в следующем. Более точное равномерное распределение токов между источниками позволит повысить надежность и КПД системы, тем самым снизить затраты на эксплуатацию. В процессе эксплуатации параметры регулирующих биполярных транзисторов постоянно изменяются, в частности коэффициент передачи по току α_i существенно зависит от температуры, тем самым в некотором отношении теряется смысл первоначальной производственной настройки параметров регулирующих транзисторов. Использование в схеме элементов, учитывающих текущее значение α_i, позволит существенно упростить настройку и обеспечить требуемую точность распределения токов в реальных условиях эксплуатации, что также приведет к снижению эксплуатационных затрат.

Косвенным эффектом может быть повышение надежности системы в эксплуатации при использовании в качестве регулирующих элементов составных транзисторов. В этом случае отказ одного или нескольких транзисторов какого-либо источника за счет постоянной текущей коррекции по α_i не приведет к нарушению равномерного токораспределения и в целом не окажет существенного влияния на работу остальных источников.

Формула изобретения

Система вторичного электропитания, содержащая N дестабилизирующих источников напряжения постоянного тока, регулирующие элементы которых выполнены на биполярных транзисторах, N датчиков тока силовой цепи, N измерительных и N управляющих компараторов, N разделительных диодов, причем одни однополярные выводы стабилизирующих источников напряжения постоянного тока непосредственно, а другие однополярные выходные выводы через соответствующие датчики тока силовой цепи соединены с соответствующими выводами для подключения нагрузки, неинвертирующие входы измерительных компараторов соединены с выходами соответствующих датчиков тока силовой цепи и инвертирующими входами соответствующих управляющих компараторов, неинвертирующие входы которых подключены к инвертирующим входам соответствующих измерительных компараторов и первым одноименным выводам всех разделительных диодов, вторые одноименные выводы которых соединены с выходами соответствующих измерительных компараторов, отличающаяся тем, что в нее введены N датчиков тока управлающей цепи, N суммирующих усилителей, N первых и N вторых делителей и узел сравнения, причем входы делимого первых делителей соединены с выходами соответствующих датчиков тока силовой цепи, входы делителя с выходами соответствующих датчиков тока управляющей цепи, а выходы подключены к входам делителя соответствующих вторых делителей, входы делимого которых соединены с выходом узла сравнения, входом подключенного к выводам для подключения нагрузки, первые входы суммирующих усилителей соединены с выходами соответствующих управляющих компараторов, вторые входы с выходами соответствующих вторых делителей, а выходы через соответствующие датчики тока управляющей цепи подключены к управляющим входам соответствующих стабилизирующих источников напряжения постоянного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1