Стабилизированная система электропитанияна базе пьезотрансформатора

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскмкСоцналистическнкРеспублмк851687(51) М. Кл.а Н 02 М 3/335 б 05 Г 1/56 Гефдарстеелльй кеюлтет па делам лзебретеннй и аткрмтий(72) Авторы изобретения Ленинградский ордена Ленина политехнический институт . им. М. И. Калинина(54) СТАБИЛИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА БАЗЕ ПЬЕЗОТРАНСФОРМАТОРАИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, для вторичных источников устройства судовой, бортовой радггоэлектронной аппаратуры.Известны преобразователи и стабилизаторы напряжения на базе пьезотрансформаторов с использованием амплитудного, частотного и фазового способов изменения характеристик пьезотрансформатора; Эти устройства содержат пьезоэлектрический трансформатор (ПЭТ), усилитель мощности, генератор (автогенератор) и блок управления с цепью обратной связи 1, 2 и 3.К недостаткам указанных устройств относятся ограниченные динамические диапазоны регулирования параметров пьезотрансформатора, ограниченные диапазоны стаби лизации напряжения на выходе, которые зависят от процентного изменения напряжения и тока нагрузки, а также ограниченная точность стабилизации напряжения.Наиболее близка к предлагаемой стабилизированная система электропитания на 20 базе пьезотрансформатора, содержащая усилитель мощности, выходом соединенный . со входом пьезоэлектрического трансформатора, выход которого через выпрямитель с фильтром соединен с выводом для подключения нагрузки, и блок управления усилителем мощности, состоящий из частотного канала на регуляторе, выходом соединенном со входом управляемого задающего генератора, выход которого через ктгючевые элементы подключен к управляющим входам усилителя мощности 4. Недостатки известного устройства - возможность срыва режима стабилизации при работе устройства в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды; не полное использование энергетических возможностей ПЭТ даже при применении в качестве задающего генератора высокостабильного генератора прямоугольных импульсов с мостовыми времязадаюшими цепями; невозможность получения стабилизированного отрицательного выходного напряжения (отсутствие универсальности по знаку стабилизированного выходного напряжения).Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, повышение стабильности и КПД системы электропитания.Поставленная цель достигается тем, что в стабилизированную систему электропитания на базе пьезотрансформатора введены фазовый канал и узел формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи, состоящий из генератора тока, последовательно соединенного с источником опорного напряжения на первом стабилитроне и со вторым стабилитроном, потенциометра, подключенного параллельно первому стабилитрону, а выходом подключенного к одному из входов регулятора блока управления усилителем мощности, другой вход которого соединен с выходом вновь введенного резистор- ного делителя напряжения, включенного между точкой соединения стабилитронов узла формирования и выводом для подключения нагрузки, причем фазовый канал выполнен на двух формирователях импульсов, .выходы которых подключены ко входам логической схемы совпадений, фильтре нижних частот и компараторе с разделительным диодом на его выходе, при этом вход одного формирователя импульсов через вновь введенную интегрирующую фазосдвигающую цепь соединен со входом пьезоэлектрического трансформатора, а вход другого формирователя импульсов через вновь введенные диодный ограничитель и емкостный штырь, расположенный в непосредственной близости от выходного электрода пьезоэлектрического трансформатора соединен с управляющим входом управляемого задающего генератора.На.фиг, 1 приведена функционально-прин ципиальная схема системы электропитания, вырабатывающей высокое положительное напряжение; на фиг. 2 - фрагмент схемы системы, вырабатывающей высокое отрицательное напряжение; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия элемента схемы совпадений в динамике.Сисистема электропитания (фиг, 1) содержит усилитель 1 мошности (УМ), нагруженный на вход ПЭТ 2. Последний через выпрямитель с фильтром 3 соединен с нагрузкой 4. Усилитель 1 мощности является двуполярным, модулированным по частоте сигналом с выхода блока управления, который состоит из частотного 5 и фазового 6 каналов. Частотный канал 5 состоит из регулятора 7, соединенного одний своим входом с нижним плечом высокоомного делителя, составленного из резисторов 8 и 9, другим входом - с выходом узла 10 формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи, а выходом через резистор 11 с управляющим входом управляемого задающего генератора (УЗГ) 2.Выход УЗГ 12, через ключевые элементы - формирователи 13 и 14 ступенек соединен со входом УМ 1. Регулятор сравнивает текущее значение выходного напряжения стабилизатора с задающим значением .1 з, преоб движком потенциометра 27, а выход компаратора через диод 28 соединен с управляющим входом УЗГ 12. Потенциометром 27 осуществляется регулировка порога срабатывания компаратора 25. Входное переменное напряжение ПЭТ 2 проходя через интегрирующую цепочку на резисторе 17 и конденсаторе 18, сдвигается по фазе на угол, близкий к 90, и поступает на формирователь 16. Выходное напряжение ПЭТ 2, проходя через небольшую емкость, образованную выходной секцией ПЭТ и емкостным штырем 22, поступает на защитный ограничитель на диодах 20 и 21 и на формирователь 19. Формирователи 16 и 19 собраны по одинаковой схеме и формируют прямоугольные им 45 50 55 разует полученный сигнал рассогласования в соответствии, например, с пропорционально-интегрально-дифференциальным законом (ПИД) регулирования, и своим выходным напряжением в виде сигнала управления устанавливает частоту генерации УЗГ 12.Прямоугольные импульсы типа меандрс выхода УЗГ 12 поступают на формирователи 13 и 14 ступенек. Формирователь 13 повторяет выходное напряжение УЗГ 12, осуществляя задержку по отрицательному 10 фронту его выходного напряжения на время,необходимое для рассасывания зарядов не- основных носителей в базах мощных транзисторов УМЛ. Формирователь 14 инвертирует выходное напряжение УЗГ 12, осуществляя задержку по положительному фронту его выходного напряжения на ту же величину, В результате УЗГ 12 и формирователи 13 и 14 образуют две последовательности отрицательных импульсов с периодом рабочей частоты, сдвинутых друг относительно 20 друга на половину периода и меньших еена величину, равную времени задержки формирователей 13 и 14. Фазовый канал 6 состоит из логической схемы 15 совпадений, соединенной одним своим входом через формирователь 16 и интегрирующую цепочку из 5 резистора 17 и конденсатора 18 со входомПЭТ 2, а другим входом через формирователь 19 с диодным ограничителем на диодах 20 и 21 и емкостным штырем 22, расположенным в непосредственной близости от выходной секции ПЭТ 2. С целью упрощения схемы фазового канала, а также уменьшения мощности потребления схемой управления логическая схема 15 выполнена на одной ячейке микросхемы с КМДП=структурой, реализующей по двум входам логическую функз 5 цию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (например;серии 564 - 564 ЛП 2). С этой же целью на элементах с КМДП-структурой реализуются и другие функциональные узлы схемы: УЗГ 12, формирователи 13 и 4 ступенек, 40формирователи 16 и 19, Выход элемента 15 через фильтр нижних частот, составленный из резистора 23 и конденсатора 24 соединен с неинвертирующим входом компаратора 25. Инвертирующий вход компаратора 25 с корректирующей емкостью 26 соединен спульсы типа меандр, необходимые для нормальной работы элемента 5. Таким образом на выходы элемента 15 поступают выходное и сдвинутое на 90 входное переменные напряжения ПЭТ 2.Принцип действия элемента 15 поясняется фиг. 2, где пунктиром обозначено напряжение, снимаемое с фильтра нижних частот (на резисторе 23 и емкости 24). Это напряжение увеличивается от значения логического О до значения логической 1 при изменении угла сдвига фаз между входными прямоугольными импульсами на входе элемента 15 от 0 до 180, принимая среднее значение при сдвиге фаз, равном 90, т.е. при сдвиге фаз равном нулю между входным и выходным переменными напряжениями ПЭТ 2, что соответствует частоте резонанса.Узел 10 формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи состоит из генератора тока на полевом транзисторе 29 с резистором 30, соединенным последовательно с опорным стабилитроном 31 и стабилитроном 32. Параллельно опорному стабилитрону 31 подключен потенциометр 33. Предлагаемая система позволяет получать на выходе как положительное, так и отрицательное высокие напряжения. Для этого если необходимо получить высокое положительное напряжение, нижний по схеме вывод резистора 9 высокоомного делителя подключается к нижнему по схеме выводу потенциометра 33, а в качестве выпрямителя используется выпрямитель положительного напряжения (фиг. 1), если же необходимо получить высокое отрицательное напряжение, то нижний по схеме вывод резистора 9 подключается к верхнему по схеме выводу потенциометра 33, а в качестве выпрямителя используется выпрямитель отрицательного напряжения (фиг. 2), Эти переключения производятся совместно с переключением входов регулятора, для исключения смены знака основной обратной связи.Узел формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи применим только для высоковольтных устройств (стабилизаторов), так как вместо обычного напряжения рассогласования на входе регулятора 11 р -- Ц, -1.1 /К в схеме (фиг. 1) имеем(1-"р = 1-1 оо (1-1 вых 1-1) Кгде К - коэффициент деления высокоомного делителя (К = 500-1000);1 - напряжение стабилизации стабилитрона 32.Учитывая, что 13 вь( нестабильность напряжения 1. до величины + 10/о практически не оказывает влияния на нестабильность выходного напряжения. Для низковольт ных источников 1.1 в,11, а К = 1- 10, поэтому влияние нестабильности для них значительно возрастает.Кроме того, так как в качестве регулятора обычно используется операционный усилитель, значительно ослабляющий (прак.тически на 60 - 80 дБ) синфазную составляющую входного сигнала, нестабильность напряжения 11, от которого отсчитываютея 11 з и Ц практически не оказывает влияния на формирование управляющего сигналаТаким образом, в предлагаемой системеудается реализовать при однополярном источнике питания без каких-либо существенных отличий в схеме как стабилизацию высокого положительного так и стабилизацию высокого отрицательного напряжений.15 Система работает следующим образом.В исходном состоянии рабочая точка находится на правом склоне амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ПЭТ. Поэтому сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями отличен от нуля и положитео лен. Отфильтрованное выходное напряжениес элемента 15 на емкости 24 меньше заданного потенциометра 27 напряжения компарации. Выходное напряжение 1.),р компаратора 25 минимально. Так,как Ц (11 то 25 диод 28 закрыт, а фазовый канал 6 отключен от .управляющего входа УЗГ 12. При действии слабых внешних возмущений, приводящих к мгновенному изменению выходного напряжения по отношению к заданному значению, на выходе регулятора 7 фор мируется сигнал управления 1.1 у в соответствии с возникшим сигналом ошибки на входе регулятора (1. з- Ц, ). Под действием сигнала управления изменяется частота генерации УЗГ 12. Рабочая точка на АЧХ ПЭТ смещается в сторону компенсации возникшего отклонения выходного напряжения от заданного значения. Например, если выходное напряжение увеличивается, то и напряжение 11 на выходе регулятора 7 для обеих схем (фиг. 1 и 2) увеличивается. При этом час О тота УЗГ 12 также увеличивается. Рабочаяточка смещается по АЧХ ПЭТ в сторону увеличения частоты до тех пор, пока 1)в , не становится равным заданному значению.В случае, если выходное напряжение уменьшается, работа схемы осуществляется обрат ным образом.При действии сильных внешних возмущений (температурных нагрузочных и др.), когда рабочая точка, смещаясь влево по частотной оси, доходит до точки резонанса ПЭТ возможен срыв в работе устройства из-за 5 О смены знака обратной связи в контуре стабилизации. Однако этого не происходит, так как при прохождении точки резонанса ПЭТ, сдвиг фаз между входным и выходным переменными напряжениями меняет знак, вы ходное отфильтрованное напряжение элемента 15 становится больше заданного потенциометром 27 напряжения, и выходное напряжение компаратора 25 становится максимальным. Так как выбрано ЦрчЮ, то851687 51015 20 30 35 40 45 Формула изобретения диод 28 открывается, а вследствие того, что динамическое сопротивление открытого диода 28 значительно меньше сопротивления резистора 11, управляющим напряжением для УЗГ 12 становится напряжение Ь, т,е. частотный канал отключается, а вместо него включается фазовый канал 6. Поэтому рабочая точка системы вплоть до окончания действия внешнего возмущения находится вблизи точки резонанса ПЭТ 2 и срыва стабилизации не происходит. По окончании действия сильного внешнего возмущения фазовый канал вновь отключается, включается частотный канал и стабилизация осуществляется аналогично.При этом применение интегральных микросхем с КМДП-структурой в качестве логической схемы совпадений и других функциональных узлов позволило максимально упростить схему блока управления и увеличить общий КПД схемы, а специфическое построение узла формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи позволяет реализовать при минимальных переключениях универсальную систему, способную вырабатывать как высокое отрицательное, так и высокое положительное стабилизированные напряжения при использовании однополярного источника питающего напряжения,Предлагаемая система обеспечивает по сравнению с известными малую нестабильность выходного напряжения от изменения питающего напряжения и от изменения тока нагРУзки ( 9.1 (+ 0,5 о/о), малУю нестабильность выходного напряжения в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды - 60 1 +60 С (Щ (+ 0,5/о), нечувствительность к короткимох замыканиям по выходу; малый ток потребления блоком управления (3 - 4 мА без учета источника опорного напряжения), достаточно высокую помехоустойчивость схемы, а также высокую надежность работы схемы. Стабилизированная система электропитания на базе пьезотрансформатора, содержащая усилитель мощности, выходом соединенный со входом пьезоэлектрического трансформатора, выход которого через выпрямитель с фильтром соединен с выводом для 8подключения нагрузки, и блок управления усилителем мощности, состоящий из частотного канала на регуляторе, выходом соединенном со входом управляемого задающего генератора, выход которого через ключевые элементы подключен к управляющим входам усилителя мощности, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, повышения стабильности и КПД в нее введены фазовый канал и узел формирования опорного сигнала и сигнала основной обратной связи, состоящий из генератора тока, последовательно соединенного с источником опорного напряжения на первом стабилитроне и со вторым стабилитроном, потенциометра, подключенного параллельно первому стабилитрону, а выходом подключенного к одному из входов регулятора блока управления усилителем мощности, другой вход которого соединен с выходом вновь введенного резисторного делителя напряжения, включенного между точкой соединения стабилитрона, узла формирования и выводом для подключения нагрузки, причем фазовый канал выполнен на двух формирователях импульсов, выходы которых подключены ко входам логической схемы совпадений, фильтре нижних частот и компараторе с разделительным диодом на его выходе, при этом вход одного формирователя импульсов через вновь введенную интегрирующую фазосдвигающую цепь соединен со входом пьезоэлектрического трансформатора, а вход другого формирователя импульсов через вновь введенные диодный ограничитель и емкостный штырь, расположенный в непосредственной близости от выходного электрода пьезоэлектрического трансформатора, соединен с управляющим входом управляемого задающего генератора. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Плужников В. М., Семенов В. С, Пьезокерамические твердые схемы. М Энергия, 1971, с, 69 - 94, 110 - 122.2. Лавриненко В, В. Пьезоэлектрическиетрансформаторы. М Энергия, 1975,с, 80 - 95,3. Карташов И. А., Марченко Н, Б. Пьезоэлектрические трансформаторы тока, КиевТехника, 1978, с. 140 - 163.4, Авторское свидетельство СССР по заявке2616042, кл, Н 01 1, 41/10, Н 03 Н 9/22,1978.Составител Техред А. Бо Тираж 730 Государственного ам изобретений на, Ж - 35, Рау Патент, г. Ужгоь С. Ситко кас Редактор Л. ПчелинскаяЗаказ 6383/83ВНИИПИпо де113035, МосФилиал ППП комитета и открыт шская наб од, ул. П Корректор Л. ИванПодписноеСССР д. 4/5ектная, 4