Способ стабилизации выходного напряжения пьезотрансформатора

 

Использование: во вторичных источниках питания для различной радиоэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения: устройство, реализующее способ стабилизации выходного напряжения пьезотрансформатора, содержит управляемый на частоте генератор 1, пьезотрансформатор 2, имеющий входную 3 и выходную 4 секции электродов, блок 5 управления, блок 6 формирования управляющего напряжения и источник 7 опорного напряжения. Предложенный способ стабилизации позволяет обеспечить высокую скорость отработки импульсных возмущений. Использование изобретения позволит создать компактные и экономичные стабилизированные источники питания. 2 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при производстве вторичных источников питания для телерадиоприборов, ЭВМ и т.д.

Известны способы стабилизации выходного напряжения пьезотрансформатора (ПТ) [1, 2, 3] Основной недостаток известных способов заключается в малом диапазоне регулирования при быстрых изменениях сопротивления нагрузки.

Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является способ регулирования выходного напряжения пьезотрансформатора, описанный в [4] Известный способ регулирования заключается в следующем. Известно, что АЧХ ПТ имеет резонансный характер. Поэтому, регулируя рабочую частоту источника, выбирают требуемую точку АЧХ, соответствующую заданной величине выходного напряжения. При изменении сопротивления нагрузки или внутренних параметров пьезотрансформатора (из-за температуры, времени и т.д.) выходное напряжение изменяется и рабочую частоту заново подстраивают, обеспечивая постоянство выходного напряжения. Поиск рабочей частоты осуществляется автоматически с помощью устройства, состоящего из управляемого генератора, пьезотрансформатора с входной и выходной секциями электродов, источника опорного напряжения, блока управления и блока формирования управляющего напряжения (см. там же, с. 91). Известный способ реализуется следующим образом. В блоке управления происходит сравнение опорного напряжения, генерируемого источником опорного напряжения, и напряжения на выходе ПТ. В случае, если эти напряжения не равны друг другу блок управления вырабатывает сигнал, по которому блок формирования управляющего напряжения генерирует управляющий сигнал, поступающий на управляющий вход генератора, и последний начинает изменять свою частоту (т.е. осуществляется режим поиска). Поиск частоты реализуется в области частот, расположенных на правой ветви АЧХ [4, с. 59, 93] Изменение частоты заканчивается при достижении равенства опорного и выходного напряжений и система управления переходит в режим слежения (режим поиска прекращается).

Основной недостаток известного способа [4, с. 95] заключается в ухудшении стабилизации выходного напряжения при действии сильных систематических импульсных возмущений, срывающих режим слежения из-за недостаточного быстродействия системы и вызывающих необходимость осуществления режима поиска после каждого такого возмущения. К таким возмущениям относятся скачки яркости (следовательно, сопротивления нагрузки) в кинескопах, скачки потребляемого тока в цифровой технике. Конечное время осуществления поиска частоты приводит к запаздыванию отработки возмущения и появлению пульсаций (выбросов) выходного напряжения источника. Отмеченные недостатки обусловлены тем, что известный способ имеет низкую скорость отработки импульсных возмущений.

Заявляемый в качестве изобретения способ стабилизации выходного напряжения пьезотрансформатора позволяет обеспечить высокую скорость отработки импульсных возмущений (практически мгновенно) и низкое выходное сопротивление источника.

Указанный технический эффект достигается тем, что в способе стабилизации выходного напряжения пьезотрансформатора, входная секция электродов которого включена в выходную цепь управляемого по частоте генератора, а выходная секция электродов соединена с выводами для подключения нагрузки, при котором измеряют напряжение на выходе пьезотрансформатора, сравнивают его с напряжением опорного источника, выявляют сигнал рассогласования и в функции этого сигнала формируют управляющее напряжение, с помощью которого управляют частотой управляемого генератора и изменяют таким образом рабочую частоту пьезотрансформатора, частоту управляемого генератора изменяют до совпадения с резонансной частотой пьезотрансформатора, измеренной со стороны входной или выходной секции электродов пьезотрансформатора при закороченной соответственно выходной или входной секции электродов, и поддерживают ее постоянный независимо от изменения величины нагрузки, при этом пьезотрансформатор выполнен с параметрами, удовлетворяющими соотношению: где C_вх, C_вых емкость входной и выходной секции пьезотрансформатора, соответственно; U_вх, U_вых напряжение на входе и выходе пьезотрансформатора, соответственно; K_вх, U_вых эффективные коэффициенты связи пьезотрансформатора по его входу и выходу, соответственно, а управляющее напряжение формируют в течение времени, соизмеримого с характерным временам изменения скорости звука материала пьезотрансформатора в зависимости от внешних условий.

На фиг. 1 приведена эквивалентная электромеханическая схема пьезотрансформатора; на фиг. 2 структурная схема устройства, реализующего изобретение, где 1 управляемый генератор; 2 пьезотрансформатор, имеющий входную 3 и выходную 4 секции электродов; 5 блок управления; 6 блок формирования управляющего напряжения; 7 источник опорного напряжения.

Достижение стабилизации выходного напряжения согласно изобретению обусловлено следующим.

Рассмотрим эквивалентную схему [4, с. 24 25] пьезотрансформатора (фиг. 1). На схеме приняты следующие обозначения: Co_вх, Co_вых емкости входной и выходной секций электродов ПТ при отсутствии его колебаний; Z_м механический импеданс ПТ, состоящий из гибкости Г массы m и сопротивления механических потерь r; R_н сопротивление нагрузки ПТ; N₁ и N₂ коэффициенты электромеханической трансформации по входу и выходу ПТ, соответственно.

Коэффициент передачи ПТ соответствует выражению:
Очевидно, что при условии коэффициент передачи ПТ не будет зависеть от R_н (условие обеспечения самостабилизации). Рассмотрим условия выполнения указанного неравенства. Таких условий два. Первое минимум величины Z_м. Очевидно, что это условие однозначно достигается при резонансе механической ветви ПТ, т.е. при Z_м r. Указанная частота соответствует экспериментально определенной частоте резонанса тока со стороны выхода (входа) ПТ в случае закорачивания его входа (выхода).

Для определения второго условия продолжаем следующие преобразования:

где эквивалентное электрическое выходное сопротивление пьезотрансформатора на частоте ω_o резонанса механической ветви.

Из теории эквивалентных цепей следует [5]

где Q механическая добротность ПТ (ненагруженного);
C эквивалентная гибкость ПТ;
C_вых Co_вых + C емкость выходной секции ПТ;
K_вых коэффициент электромеханической связи ПТ, определенный по выходу.

С учетом (3) выражение (2) принимает вид
, где
Учитывая, что Сo_вых C_вых(1 K_вых2) ≈ C_вых, уравнение (4) можно преобразовать в

Поскольку для современных ПТ используются материалы с высокими характеристиками QK² > 300 [4, с. 20] то величина А < 1 при условии

Таким образом, приведенные рассуждения показывают, что если ПТ возбуждать на частоте механического резонанса, то импульсные возмущения, имеющие R_н в пределах удовлетворения условия (6) (в современных теле-, и цифровых устройствах колебания нагрузки от R_н= ∞ до R_н R_min укладываются в (6), не приведут к изменению U_вых, т.е. стабилизация достигнута.

В указанном случае, как следует из (1) и (6)

где К_вх, C_вх коэффициент электромеханической связи по входу ПТ и его емкость, соответственно.

Как видно, для конкретного ПТ, характеризующегося только одной совокупностью ω_o, C и К, существует только одна частота ω_o и одно значение К_п (определяемое выражением 7), для которых происходит наилучшее удовлетворение условия (6), т. е. наиболее полно выполняются условия самостабилизации. Из анализа формулы (7) следует независимость величины К_п от нестабильности не только R, но и пьезоэлектрических (пьезомодуля, емкости, добротности) материала ПТ. Единственный фактор, влияющий на стабильность К_п это скорость звука материала ПТ, приводящая к изменению ω_o.

Однако указанный недостаток не является принципиальным и легко устраняется с помощью устройства, структурная схема которого представлена на фиг. 2.

Способ стабилизации согласно изобретению реализуется следующим образом.

При включении устройства напряжения выхода ПТ U_вых 0 ≠ U_опорн и блок управления 5 вырабатывает сигнал поиска, поступающий в блок 6 формирования управляющего напряжения. Последний начинает генерировать управляющее напряжение, поступающее на вход управления генератора 1, который начинает изменять свою частоту. Причем блок формирования 6 устроен так, что формирует сигнал управления, обеспечивающий возрастание частоты в пределах от ω₁ до ω₂(ω₁< ω_o< ω₂). Отметим, что обе частоты принципиально должны находиться на левой ветви АЧХ (а не на правой, как в способе-прототипе [4, с. 59, 93]). Изменение частоты происходит до момента достижения равенства U_вых U_опорн. По достижении последнего блок управления 5 перестает изменять свое выходное напряжение и переходит в режим слежения, а, следовательно, блок формирования 6 удерживает достигнутое положение. Поскольку коэффициент передачи ПТ и его параметры жестко связаны соотношением (7), то равенство U_вых и U_опорн будет достигнуто на частоте, равной ω_o.

Таким образом предлагаемый источник питания обеспечивает возбуждение ПТ на частоте механического резонанса, т.к. имеет специальным образом выполненный ПТ (под конкретный К_п). При этом импульсные изменения R_н не потребуют регулировки режимов работы ПТ, т.е. обеспечена мгновенная стабилизация выходного напряжения. Последнее приводит к тому, что нет необходимости конструировать сложный, как в прототипе, блок формирования, обеспечивающий быструю скорость отработки возмущения на выходе ПТ. Введение режима поиска рабочей частоты ω_o обусловлено необходимостью отработки возможной ее нестабильности из-за влияния относительно "медленных" факторов (например, температуры, старения, замены ПТ и т.д.). Для отработки таких факторов необходимо иметь блок формирования с постоянной времени, сравнимой с характерными временами влияния указанных факторов, т.е. значительно больших, чем перепады импульсных нестабильностей R_н.

В соответствии с вышеизложенным был изготовлен вторичный источник питания для видеомониторов на базе ПТ из материала ЦТССт-5, имеющего С_вх 1400 пФ; С_вых 12 пФ; К_вх 0,18; К_вых 0,26. Реализация предлагаемого способа с помощью этого источника обеспечивает низкое сопротивление, большую степень постоянства U_вых при изменении R_н от ∞ до R_н ≈ R_min 100 КОм.

Изобретение обеспечивает высокую скорость отработки импульсных возмущений и низкое выходное сопротивление источника питания, а, следовательно, позволяет осуществлять стабилизацию выходного напряжения пьезотрансформатора.

Использование изобретения позволит создать компактные, экономичные и стабилизированные источники питания для разливной радиоэлектронной аппаратуры.

Формула изобретения

Способ стабилизации выходного напряжения пьезотрансформатора, входная секция электродов которого включена в выходную цепь управляемого по частоте генератора, а выходная секция электродов соединена с выводами для подключения нагрузки, заключающийся в том, что измеряют напряжение на выходе пьезотрансформатора, сравнивают его с напряжением опорного источника, выявляют сигнал рассогласования и в функции этого сигнала формируют управляющее напряжение, с помощью которого управляют частотой управляемого генератора, и изменяют таким образом рабочую частоту пьезотрансформатора, отличающийся тем, что частоту управляемого генератора изменяют до совпадения с резонансной частотой пьезотрансформатора, измеренной со стороны входной или выходной секции электродов пьезотрансформатора при закороченной соответственно выходной или входной секции электродов, и поддерживают ее постоянной независимо от изменения величины нагрузки, при этом пьезотрансформатор выполнен с параметрами, удовлетворяющими соотношению

где С_вх, С_вых емкости входной и выходной секций электродов пьезотрансформатора соответственно;
U_вх, U_вых напряжение на входе и выходе пьезотрансформатора соответственно;
К_вх, К_вых эффективные коэффициенты связи пьезотрансформатора по его входу и выходу соответственно,
а управляющее напряжение формируют в течение времени, соизмеримого с характерным временем изменения скорости звука материала пьезотрансформаторе в зависимости от внешних условий.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2