Пьезополупроводниковый стабилизатор напряжения

(19) 11 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССР й 800974, кл. С 05 Г 1/56, 1979.Авторское свидетельство СССР Ф 983689, кл, С 05 Р 1/64, 1981. (54) ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к стабилизированным источникам питания. Целью изобретения является повышение устойчивости функционирования в режиме максимальной токовой нагрузки и быстродействия пьезополупроводникового стабилизатора напряжения. Цель достигается тем, что под действием управляющего напряжения с генератора 13 на вход частотно - задающего генератора (ЧГ) 1вырабатываются импульсы с изменяющейся частотой. Эти импульсы черезформирователь 2 и усилитель 3.мощности поступают на пьезотрансформатор(ПТ) 4. Напряжение с ПТ 4 через усилитель 22 и диоды 20 и 21 поступаетна вход дифференциального усилителя(ДУ) 16, на инвертирующий вход которого подано напряжение смещения с интегратора б. В момент прохождения максимума резонансной кривой ПТ 4 на выходе ДУ 16 появляется "1", что соответствует установке в ЧГ 1 резонансной частоты. При достижении выходногонапряжения уровня опорного напряженияисточника 12 на выходе интегратора 6формируется "1". При этом ДУ 16 обнуляется, а к управляющему входу ЧГ 1подается сигнал управления, осуществляющий стабилизацию выходного напряЖения. 2 з, и. ф - лы, 3 ил,124136 20 полненный на основе операционного уси 40 сивный счетчик 27 импульсов, инвертор 28 э,пемент И 29 и резистивную матрицу 30,Генератор 25 пачки импульсов в часгном случае состоит из последовательновключенных пьезоэлектрического резонатора, образованного двумя электродами, расположенными на противоположных поверхностях выходной секции пьезотрансформаторного элемента 4;параллельных вектору поляризации, полосового Фильтра и порогового элемента. Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в системах вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.Целью изобретения является повышение устойчивости функционирования в режиме максимальной токовой нагрузки и быстродействия.На фиг.1 представлена функциональная схема предложенного пьезополупроводникового стабилизатора напряжения,на фиг.2 - функциональная схема генератора ступенчатых сигналов в случаеего реализации с контуром обратнойсвязи, на фиг,3 - частотные зависимости выходного напряжения и нагрузочного тока, иллюстрирующие работу устройства.Пьезополупроводниковый стабилизатор напряжения (фиг,1) содержит частотозадающий генератор 1, формирователь 2 импульсов (счетный триггер), усилитель 3 мощности, пьезотрансформаторный элемент 4, выпрямитель и фильтр, условно объедкненнье в узел 5, интегратор 6 сигнала ошибки, вылителя 7 с интегрирующим конденсатором 8 в цепи отрицательной обратной связи, регулировочный потенциометр 9, делитель 10 напряжения, ограничительный резистор 11, источник 12 опорного напряжения, генератор 13 ступенчатых сигналов, прямосмещенные развязывающие диоды 14 и 15, дифференциальный усилитель 16, вспомогательные конденсаторы 17 и 18, обратносмещенные развязывающие диоды 19-21, линейный уси.литель 22, выходную потенциальную шину 23 и шину 24 нулевого потенциала. Генератор 13 ступенчатых сигналов при его реализации с контуром обратной связи в виде дополнительного генератора 25 пачки импульсов (фиг.2) включает тактовый генератор 26, реверЧастотозадающий генератор 1, формирователь 2 импульсов, усилитель 3 510 мощности, пьезотрансформаторный элемент 4 к выпрямитель - фильтр 5 вклк - чены последовательно. Выходной потенциальный вывод узла 5 соединен с. выходной потенциальной шиной 23 стабилизатора. Регулкроночный потенцкометр 9 крайними выводами включен между выходом источника 12 опорного напряжения и инвертирующим входом операционного усилителя 7 интегратора 6. Ограничительный резистор 11 включен между выходной потенциальной шиной 23 стабилизатора и средним выводом регулировочного потенциометра 9. Делитель 1 О напряжения входом соединен с выходом источника 12 опорного напряжения, а выходом - с неинвертирующим входом операционного усилителя 7 интегратора 6. Вход генератора 13 ступенчатых сигналов подключен к выходу дифференциального усилителя 16. Вход линейного усилителя 22 соединен с выходом пьезотрансформаторного элемента 4.Инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального .усилителя 16 через обратносмещенные развязывающие диоды 20 и 21 соответственно с большим и меньшим по величине напряжения1ми пятки подключены к выходу линейного усилителя 22. Выходы интегратора 6 и генератора 13 ступенчатых сигналов через прямосмещенные развязывающие диоды 14 и 15 соответственно с большим и меньшим по величине напрякениями пятки" соединены с входом частотозадающего генератора 1, Обратносмещенный развязывающий диод 19 включен между выходом интегратора 6 и инвертирующим входом дифференциального усилителя 16, а вспомогательные конденсаторы 17 и 18 - параллельно соответствующим:входам последнего.Устройство работает следующим образом.Прк подаче питающего напряжения, когда выходное напряжение пьезотрансформаторного элемента 4 минимально и напряженке обратной связи, поступающее через резистор 11 и потенциометр 9 к инверткрующему входу интегратора.6, близко: нулю на выходе операционного усилителя 7 устанавливается минимальное напряжение (к неинвертирую-, щему входу приложено большее напряжение, поступающее через делитель 10 от источника 12 опорного напряжения,.чем к инвертнрующему входу). При этом перестройка частотозадаюшего генерато 1241369ра 1 воздействием интегратора 6 блокируется напряжением "пятки" диода 14 и практически незначительна. В этом режиме частотозадающий генератор 1 управляется генератором 13 ступенчатых сигналов,На фиг.3 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) пьезотрансформаторного элемента 4 в зависимости от тока 1 , протекающего в нагруз 10 ке стабилизатора. Из представленного графика видно, что резонансная характеристика пьезотрансформаторного элемента 4 значительно изменяется, а резонансная частота Г принимает мини мальное значение Г (режим короткого замыкания) при максимальном токе нагрузки и максимальное значение К режим холостого кода) при минимальном токе нагрузки. В стационарном ре. 20 жиме стабилизатора рабочая частота выбирается на левом склоне АЧХ и находится несколько левее Г . Поскольку в режиме максимальной токовой нагрузки выходное напряжение довольно 25 мало, оно усиливается линейным усилителем 22. В это время генератор 13 ступенчатых сигналов работает в авто- колебательном режиме и на управляющий вход частотозадающего генератора 1 поЗ 0 ступает линейно изменяющееся напряжение ступенчатой формы. Величина и длительность ступеньки определяется периодом следования тактовых имнульсов Т , выбирается заранее в зависиМ ф35 мости от исходных параметров пьезотрансформаторного элемента 4 и не препревьппаеп обычно 10 периодов резонансной частоты. Длительность Тр пилообразных импульсов генератора 13 также задается заранее, исходя из электро 40 Физических свойств материала пьезотрансформаторного элемента 4, причем Тр 3 10 ЯнТ, где Я - механическая добротность пьезотрансформаторного элемента 4.45 Под действием управляющего напряжения, поступающего с выхода генератора 13 на вход частотозадающего генератора 1, на выходе последнего дис кретно изменяется частота следования импульсов в соответствии с крутизной управления от значения Г до ГМнн моксф Импульсы напряжения с изменяющейся частотой (в данном слуЧае с возраста ющей) поступают на вход формирователя 2, где они симметрируются скважностью, равной двум, для исключения зависимости работы устройства от биений поскважности импульсов частотозадающегогенератора 1, а затем подаются навход усилителя 3 мощности. Под действием импульсного входного напряженияна частоте, близкой к К, на выходепьезотрансформаторного элемента 4 генерируется небольшое напряжение, нос минимально возможным нагрузочнымтоком. Одновременно напряжение с выхода пьезотрансформаторного элемента4 поступает на вход линейного усилителя 22 и после него через диоды 20и 21 - на входы дифференциального усилителя 16. Поскольку на инвертирующийвход дифференциального усилителя 16подано небольшое напряжение смещенияс.выхода интегратора 6, а на неинвертирующем входе напряжение равно нулю,на выходе дифференциального усилителя 16 оно также равно нулю или соответствует уровню логического нуля.Ввиду того, что емкость конденсатора,17 ьыбрана меньшей, чем емкость конденсатора 18, заряд конденсатора 17протекает несколько быстрее припрохождении первого склона АЧХ пьезотрансформаторного элемента 4. При этомс выхода дифференциального усилителя16 на управляющий вход генератора 13ступенчатых сигналов поступает напряжение логического нуля и продолжаетсялинейное управление частотозадающимгенератором 1. В момент прохождения максимума резонансной кривой пьезотрансформаторного элемента 4, что соответствует Г= Г, или несколько правее ее величины напряжений на конденсаторах 17 и 18 выравниваются и в некоторый момент напряжение на неинвертирующем входе дифференциального усилителя 16 становится больше, чем на инвертирующем. В этот момент времени на выходе дифференциального усилителя 16 появляется напряжение, соответствующее единице, которое поступает на вход разрешения прямого счета генератора 13 ступенчатых сигналов, на выходе которого фиксируется заданный уровень управляющего напряжения. Это соответствует установке в частотозадающем генераторе 1 частоты Г = Г пьезотрансформаторного элемента 4. По ме- . ре работы стабилизатора на установленной частоте К = Гнток в нагрузке уменьшается, при этом одновременно происходит разряд конденсаторов 17 и12413 18. Поскольку емкость конденсатора 18 выбрана большей емкости конденсатора 17 напряжение на инвертирующем входе дифференциального усилителя 16 уменьшается быстрее, усилитель 16 перебрасывается в исходное состояние и начинается новый процесс определения и установки резонансной частоты. При достижении амплитуды выходного напряжения часть ега, поступающая через 10 элементы 11 и 9 на инвертирующий вход операционного усилителя .7 интегратора 6, достигает уровня компенсации опорного напряжения от источника 12. На выходе интегратора 6 формируется на пряжение, соответствующее логической единице, которое подводится к инвертирующему входу дифференциального усиусилителя 16, обнуляя его, а также к управляющему входу частотозадающего 20 генератора 1. Дальнейшая работа стабилизатора осуществляется обычным образом в стационарном режиме, когда имеет место частотный сигнал стабилизации. Диод 15 блокирует процесс раэ ряда частотозадающега конденсатора в генераторе 1. Диод 19 препятствует разрядку конденсатора 17 через выходные цепи операционного усилителя 7 интегратора 6. Интегрирующий конден- З 0 сатар 8 обеспечивает устойчивость Функционирования ин;гегратара. 6. Емкость интегрирующего конденсатора 8 в данном устройстве значительно уменьшена, так как Функцию поиска резонансной частоты выпо,ъняет генератор 13 ступенчатых сигналов,При выполнении генератора 13 ступенчатых сигналов с контуром обратной40 связи в виде дополнительного генератора 25 пачки импульсов работа стабилизатора происходит аналогично ранее описанному, за исключением обратной перестройки частотозадающего генератора 1, необходимой для более точной настройки устройства в резонанс и обеспечения слежения за максимумам АЧХ пьезотрансформатарного элементаГенератор 25 пачки импульсов при0 Формировании сигнала логической единицы на выходе дифференциального усилителя 16 генерирует импульсную последовательность, которая приводит к обратной перестройке генератора 1 ступенчатых сигналов. Это позволяет скомпенсировать задержку отрабатывания дифференциального усилителя 16 при совпадении уровней напряжения на 69 Ьконденсаторах 17 и 18 и исключить переход устройства на энергетически не" выгодный правый склон АЧХ, 1 ак:,; образом, генератор 25 образует дополнительное звено обратной связи, которое препятствует переходу на правый склок АЧХ, существенно увеличивает быстродействие и КПД устройства, Введение генератора. 25 существенно повышает также надежность стабилизатора, поскольку в данном случае обеспечивается слежение за максимумом АЧХ пьезатрансформаторнаго элемента 4, Количество импульсов в пачке определяется быстродействием дифференциальнагс, усилителя 16 и шагам изменения частоты частотозадающего генератора : при воздействии одиночного перепада на" пряжения генератора 13 ступенчатых сигналов и обычно равно 1-3.Отмеченные ранее ограничения на напряжения "пятки" диодов 14 и 15., определяющие различия в падении напряжений на диодахпри заданном г 1 рямом токе, предназначены для повышения .очности динамической характер"ст ю.и Этс обусловлено тем, чта указакное с граничение обеспечивает приоритет в перестройке частстозадающего генератора 1 интегратору 6, что позволяет ь:скпочить.з 44 ект перерегулч,с".:а:.я вьг.-., де устройства. Этс име ;.- .с, когда момент времени отработки инте" гратора 6 совпадает с мс,.нтом вре;:е ни формирования .ступеньки импульсов генератором 13. Ограничения позволяют обеспечить задержку формирования указанной ступеньки до выдачи запрещенного сигнала по каналу интегратор 6 - диод 19 - дифференциальный усили" тель 16 вгенератор 13 при. отработке сшибки интегратором 6. Отмеченные ра-, нее ограничения на напряжения пяткидиодов 20 и 21 обеспечивают надежный выход стабилизатора на рабочий режю. В момент прохождения максимума АЧХпьезатрансфсрматарного элемента 4 величина напряжения на конденсаторе 17за счет указанньгх ограничений остается несколько большей напряжения наконденсаторе 18. Затем вследствие выхода на правый склон АЧХ происодитразряд канценсатсрсв 17 и 18. Так какрв:-;ряд конденсатора 17 происходит бы"трее, чем конденсатора 18 через .".,екаторое время, определяемое пасто:,нцой времени разряда и разницей ч напряжениях "пятки" диодов 20 и 21, пвоисходит совпадение напряжений на кон 1241369денсаторах 17 и 18, что фиксируетсядифференциальным усилителем 16 и вызывает Фиксацию текущего уровня апряжения генератора 13 ступенчатых сигналов (останов поиска резонансной частоты). Постоянные времени разряда конденсаторов 17 и 18 определяются величиной и добротностью паразитных пиковна АЧХ пъезотрансформаторного элемента 4, а также скоростью прокачки частоты .частотозадающим генератором 1,Работа генератора 25 пачки импульсов заключается в следующем. Переднийфронт сигнала с выхода дифференциального усилителя 16, формирующийся при 15совпадении сигналов на конденсаторах17 и 18, ударно возбуждает пьезоэлектрический резонатор. Сигнал на еговыходе оказывается синхронизированнымс входным сигналом вследствие парамет 0рического взаимодействия. Выбор порога срабатывания порогового элементаобеспечивает управпение.количествомимпульсов в пачке.Работа генератора 13 ступенчатых 25сигналов в случае его выполнения поФиг.2 заключается в следующем. Принулевом уровне сигнала на входе инвертора 28 на его выходе действует уровень лотической единицы, который раз- орешает прохождение импульсов от тактового генератора 26 через элемент И29 на вход прямого счета реверсивногосчетчика 27. При единичном уровне сигнала на входе инвертора 28 на его выходе действует уровень логическогонуля, который блокирует прохождениетактовых импульсов через элемент И29, При этом текущий уровень аналогичного сигнала резистивной матрицы30 Фиксируется, а импульсы подаютсяна вход обратного счета реверсивногосчетчика 27,Предложенное устройство может устойчиво Функционировать в широком диапазоне токовой чагрузки - от режимакороткого замыкания до холостого хода. Время реакции устройства на кратковременные возмущения в нагрузке непревышает 1 мс,Формула изобретения 1. Пьезополупроводниковый стабилизатор напряжения, содержащий частото.;адающий генератор, последовательно 55 включенные усилитель мощности, пьезотрансформаторный элемент, выпрямитель и фильтр, выходной потенциальный вывод которого соспицсн с вы.:одной потенциальной шиной стабилизатора, канал обратной связи с интегратором сигнала ошибки, цыполненцым на основе операционного усц:цтеля, в цепь отрицательной обратноц связи которого включен интегрирующий конденсатор, регулировочным цотенциометром, включенным крайними выводами между выходом источника опорного напряжения и инвертнрующим входом операционного усилителя интегратора, ограничительным резистором. включенным между, выходной потенциальной шицой стабилизатора и средним выводом регулировочного потенциометра, делителем напряжения, соединенным входом с выходом источника опорного напряжения, а выходом - с неинвертирующим входом операционногоусилителя интегратора,о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения устоичивости функционирования в режимемаксимальной токовой нагрузкии быстродействия, в него введены формирователь импульсов, генератор ступенчатыхсигналов, дифференциальный усилитель,линейный усилитель, два вспомогательных конденсатора и пять развязывающихдиодов, причем Формирователь импульсов включен между выходом частотозадающего генератора и входом усилителямощности, вход генератора ступенчатыхсигналов подключен к выходу дифференциального усилителя, вход линейногоусилителя соединен с выходом пьезотрансформаторного элемента, инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя через обратносмещенные первый и второй развязывающиедиоды соответственно с большим и меньшим по величине напряжениями пяткиподключены к выходу линейного усилителя, выходы интегратора и генератораступенчатых сигналов через прямосмещенные третий и четвертый развязывающие диоды соответственно с большим именьшим по величине напряжениями "пятки" соединены с входом частотозадающего генератора, обратносмещенный пятый развязывающий диод включен междувыходом интегратора и инвертирующимвходом дифференциального усилителя, авспомогательные конденсаторы - параллельно соответствующим входам последнего,72. Стабилизатор по и.1, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что генераторступенчатых сигналов выполнен с кон1241369 10 та. 4Р 85 Составитель Л:.МорозовТехред О.Сопко Корре Редактор И.Рыбченк Демчик Заказ 3607/5 ВНИИПИ Государс по делам изо13035, Москва 9 Ж енного комитета етений и открыт 5, Рзуыская наб роизводственно-полиграфическое предприятие, г. од, ул. Проектная,туром обратной связи в виде дополнительного генератора пачки импульсов. 3. Стабилизатор по пп.1 и 2, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что генератор пачки импульсов состоит из последовательно включенных пьезоэлекрического резонатора, образованногоэлектродами, расположенными на прот;:.воположных поверхностях выходной :.,-ции пьезотрансформаторного э.лемент,параллельных вектору поляризации, полосового фильтра и порогового элеме: -ПодписноеСССР д. 4/5