Способ электропитания постоянного напряжения

(23) Приоритет(5 З) УЙК,621.316. .722.1 (088.8) по делам изобретений и открытийОпубликовано 25.06,80, Бвллетень ЛЪ 23 Дата опубликования описаний 27,06,80(54) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Устройство относится к электротехникеи может быть использовано в качестве источника питания различных радиотехнических устройств, устройств автоматики, вычислительной и измерительной техники, преимущественно в летательных аппаратах специального назначения и в наземных системах для их обслуживания.Известен стабилизированный источник электропитания, содержащий импульсныйто и непрерывный стабилизаторы с регулирующими элементами, усилителями и источника ми опорного напряжения 11.Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является система электропитания постоятптого напряжения, содержащая импульсный стабилизатор, состоящий из последовательно включенных измерительного элемента с датчиком тока, подключенным к нему усилителем сигнала датчика тока, с резистивными делителями напряжения и источником опорного напряжения, управляющего и силового элементов, и непрерыв 2ный стабилизатор, вход которого соединен с выходом импульсного стабилизатора, состоящий из последовательно включенных измерительного элемента, вход которого соединен с выходом системы электропитания постоянного напряжения, и регулирующего элемента, к которому подключен измерительный элемент импульсного стабилизатора, причем датчик тока этого элемента включен между регулирующим элементом непрерывного, стабилизатора и вьеходом системы электропитания . постоянного напряжения 2,Однако в такой системе электропитания существует взаимосвязь настроек уровней максимального и минимального напряжений регулирующего элемента непрерывного стабилизатора. В результате при настройке одного из уровней напряжений другой уходит из заданного значения, а следовательно, после настройки одного из уровней необходимо многократное возвращение к подстройке другого (соответственно включая или выключая нагрузку), каи 3 7429дый р.,з все больше приближаясь к зада 1 ному значенкчо настроек обоих уровней,тго сн-;,11(ает КПЛ,Ктэоме того, гальваническая развязкавыхопд стабилизатора от истотнцка гор=вцчного натгряжения, как правило, обязательна для стабилизатора постоянногонаттряжения и обеспечивается в прототипеза с 18 Т трансформатора,или дросселейнасыщения, обмотки управления которыхга 11 ьванически не связаны с остальнымиего обмотками, по если первичная сеть -сеть постоянного тока или сеть перемен -НОтэО тОКа ПРЦ ОтСУтотВИИ тРаЦСфОРМатОРамежду сетью и импульсн 1 цм сгнбилизаторомбсзтренсформаториый стабилизатор)., -то Осушествление Гальванической развязкц в прототипе цевозмож 1 оЦель изоблэетецич - :1 товышение ЫЦц надежности за счет повьпценття то 1 ностцлНастроек уровней напряжений регулируто-.щего элемента непрерывного стабилизатоРа ПГцетл ИСК 1 ЮЧ"11 ИЯ ЦК Вэаимоэаа 11 СЦ 1 ОСтц и обеспечение гальва 11 И 1 ескойл развязкимежду певВ 11 чной сетью и 13 ыхОдом систО 5МЬ 1 ЭЛ 81 ТВОПитацть Это досэигается тем, что в системе электропитания постоянного нагцяэкения в измерительный элемент импульсного с га 3 О билизатора Введен йиффере 1 щиаттытый уси-.ЛИГ 8 ЛЬ К НеиннеРТЦРУтОЩЕМУ ВХОДУ КОТОРС-"ПОДК ГПО 18 Н лЭХОД ПЕРВОГО РЕЗЦС ЦВНС 1 О ДЕЛИТЕЛЯ; ВКЛЮ 18 ННОГО МСБДУ ИСГОЧНИКОМ опорного напряжеп 1 тя и вь 1 хойомсилцтелч датчттка гока, вход которого через резистор" подключен к датчику гока, а к ипверт 1 тэую-" Щ 8 МУ ВХОДУ Дцфф 8 Р 81 ШИЯЛЬНОГО УСИЛИТСПЯ через второц эезцстивБэЙ делитель ПОдкл 10" чен переход коллектор=-эмиттер трацзцсто 40 ра регуэтттруюцтего эттемента цепрепьпи 1 ого стабилизатора, причем Общая точка регулирующего элемента этого стабилизатора и датчика тока соединена с общим проводом цзмепцт ельпог 1 э эле; тента цл 1 г 1 улу сного стабилизатора, а цепи питания обоих уси-. лителей этого элемента по 11 ктпоц 81 ы к вье=денному источнику двухполярного напряже- ния, кроме того, между цзмерительньгм ц управляющим элементами импульсного ста 50 билизатора вклточе 11 узел гальванической развязки, Выполнентый на базе оптронного диода, светодиод которого последовательно с резистором включен между вьтходом дифференциального усилителя измерц 55 тельного элемента импульсного стабилиза-: торе. и выходом отрицательпой полярности источника двухполярного напряжения этого элемента, а фотодиод подключен ко входу уэтравлято 1 пего элемента импульсного стабплиздтора 11 ОпноврсменнОчерез резисторк источнику питания этого элемента, а усилитель сигнала датчттка тока Выполнен вв 1 де масшчаб,ОГО 11 ецнвертирутощето ус 1 ллцгелч,Не фиг, 1 этредставлена система с повь 11 пенным йь 3, и надежцостью; на фиГ. 2система, обеспечивато 1 пая еще и гальван 11 ческутО развязку,Система электропитания содержитцмпульсный стабилизатор 1, состоящийиз последовательно Вклтсчеп 1 ых измерительного 2,;,лттрав 1 Ятощего:я и силОВОГО 4 элОментов,. Ко входу силового элемента 4подключена первичная сеть, а его выходсОединен сО Входом цепреры ВНОГО стабил 1 лщз.этора,6, 11 епрерывпый стабилизатор э соде рк 1 т последо 1 зательно вктцоченньэе измеОительпый 6 и регулирующий 7 элементы.Между выходом регулирующего элемента 7и выходной клеммой включен датчик тока8 измерительного элемента 2 импульсногостабилизатора 1, Вход измерительного эле;мента 2 непрерывного стабилизатора ссегэ 11 цен с Выходом системы по цепи обратНОЙ связиРезистор 8 (датчик гока) через резистоп 9 подклтлэтен ко входу усцлителя датчика тока, выполненного в виде масштабНОГО непнвертирующего усилителя 1 О,ЕГОцнвертцрующий акой через резистор 11 подключен к общей тютке измерительного эле,",лепта 2 и одцовременцо через переменныйрезистор 12 - и вь 1 ходу масштабного усиЛтепя 1 О, ЧХОД ЭТО 1 ОСИЛ 11 теля СОЕДИнен такэке с первым резцстивнь 1 М делителем, В которьгй входят резисторы 13, 14 и и 1 лЭ ПССЛедццй ИЗ КОТОРЫХ СОЕДИНЕН СО с",абцлитроном 16 являкэц 1 имся источником Опорного напряженич для измерительного элемента 2. Резистор 14 служит потенциометром, Гго ползунок подключен к неинвертпрующему входу диффер 81 цтиального усилителя 17, выполняющего роль схемы СРатНЕНЦЯ, ИЦВ 8 РТИРУЮЩЦЙ ВХОД Д 1 фЕРЕН- пиальпого усилителя 17 соединен со сред- Цейт ТОЧКОЙ (ВЫХОДОМ) ВТОРОГО РВЗИСТИВНО ГО деЛл 1 теля, СОСтОящЕГО ИЗ рЕЗИСтарОВ 18 и 19, Этот делитель подключен к переходу коллектор-эмиттер транзистора регулирующего элемента 7 непрерывного стабилизатора 5, Общая точка транзистора регулирующего элемента 7, резистора-дачьчика тока 8 и резистора 19 соединяется с общцмц точками усилителей 10 и 17 и стабцлитрона 16 ц таким Образом являет- ся Общим проводом (землей) измерительного элемента 2, Цепи питания усилителей5742901 10 и 17 подключены к источнику 20 двухполярного напряжения. Стабипитрон 16 через баппастный резистор 21 также подкпючен к источнику питания 20. Нулевой вывод этого источника соединен с землей 5 измерительного элемента 2, Система электропитания постоянного напряжения содержит также трансформатор 22 и выпрямитель 23, включенные между силовым элементом 4 импульсного стабилизатора 1 и входом 10 непрерывного стабилизатора 5, узел 24 гальванической развязки по входу управляющего элемента 3 импульсного стабилизатора, Узел 24 гальванической развязки состоит из оптронного диода 25, светоди од которого через резистор 26 yодкпючен к выходу операционного усилителя 17, а фотодиод этого оптрона через резистор 27 соединен с цепями питания упраыиющдго элемента 3, фотодиод оптронного диода 25 подключен ко входу управляющего элемента 3. Ток нагрузки, проходя через резистор- датчик. тока 8, создает на нем падение25 напряжения, которое через резистор 9 подается на вход масштабного усилителя 10. Резисторы 11 и 12 создают отрицательную обратную связь для усилителя 10,глубина которой определяет его коэффициент30 усиления. Если коэффициент усиления усилителя, не охваченного обратной связью; большой (в современных интегральных операционных усилителях он достигает порядка нескольких десятков тысяч), то вепичи 35 на и стабильность коэффициента усиления усилителя с обратной связью опредепяеч- ся только величиной и стабильностью номиналов резисторов обратной связи, и поэтому его стабильность значительно вы 40 ше стабильности коэффициента усиления усилителя измерительного эпемента прототипа.Выходное напряжение масштабного усилителя 10, вепичина которого таким обра 45 зом строго определяется величиной тока нагрузки (при заданном коэффициенте усиления), лрикпадывается к делителю, выполненному на резисторах 13, 14 и 15, Потенциал противоположной точки делите 50 пя фиксируется стабилитроном 1 6.Если ток нагрузки отсутствует (режим холостого хода), то напряжение на датчике равно нулю, а значит равно нулю и выход-. ное напряжение масштабного усилителя.55 При этом напряжение на попзунке потенциометра 14 определяется топько величиной напряжения стабипитрона 16 и отношением суммы величин резисторов 13, 14 и 15 к сумме величины резистора 13 ичасти резистора 14 от его общей точки срезистором 13 до попзунка.По мере возрастания тока нагрузки выходное напряжение масштабного усилителя,отрицатепьное по знаку, также увеличивается. Так как напряжение стабипитронаимеет положительный знак, то напряжение,на попзунке, а следовательно, и на входесхемы сравнения, выпопненной на дифференциальном усилнтепе 17, уменьшается,Таким образом, пюбому значению тока нагрузки соответствует определенное значение напряжения на неинвертирующем входеусилителя 1 7, величина которого обратнопропорциональна току нагрузки,На инвертирующий вход дифференциального усипптепя 1 7 через депитель, состоящий из резисторов 18 и 19, поступаетнапряжение с регулирующего элемента (регулирующего транзистора) непрерывногостабипизатора,Напряжение обоих входов усилителя 17сравнивается между собой, и на его выходе появляется усиленная им разность напряжений входов, знак которой (относительно общего провода) зависит от того, какоеиз сравниваемых напряжений больше,Выходной сигнал из схемы сравненияподается на управляющий эпемент 3, последний управляет работой силового элементе 4, величина выходного напряжениякоторого определяет напряжение на рагупирующем элементе непрерывного стабипизатора, Если напряжение на регулирующем элементе увеличится по сравнению снапряжением на ползунке потенциометра14, то уменьшится напряжение на выходесхемы сравнения, а это приведет к уменьшению выходного напряжения импульсного стабипизатора, и наоборот в случаеуменьшения напряжения на регулирующемэлементе непрерывного стабилизатора нижезаданного уровня, выходное напряжение схемы сравнения увеличится, а значит увеличится и выходное напряжение импульсногостабилизатора.В полученной таким образом системеавтоматического регулирования выходноенапряжение импульсного стабилизатора регупируется при условии, если напряжениена регуппрующем эпементе непрерывногостабилизатора выдерживается в строгой,заранее заданной зависимости от тока нагрузки при безусловном постоянстве выходного напряжения непрерывного стабилзатора (оно же выходное напряжение устройства) за счет работы его измерительа7 7 429ного 6 и регулирующего 7 элементов, Врегулирующем элементе 7 при больших токах нагрузки может работать не один, анесколько транзисторов, и тогда (как впрототипе) в качестве датчика тока можетиспольэомться один из симметрирующих резисторов,Граничные значения регулирования напряжения на регулирующем элементе непрерывного стабилизатора в режиме холостого хода и при максимальной нагрузкезадаются регулировкой переменного резистора 12 и потенциометра соответственно14 при настройке стабилизатора,В предложенной системе электропитания принципиально отсутствует недостатокпрототипа, заключающийся во взаимозависимости настроек уровней напряженийна регулирующем элементе непрерывногостабилизатора, так как прп настройке мак- р 0симального напряжения регулирующего элемента непрерывного стабилизатора в режиме холостого хода напряжение на выходе масштабного усилителя (к которомуподключена крайняя точка делителя на резисторах 13, 14 и 15, противоположнаяточка подключения к стабилитрону 1 6, строго равна. нулю независимо от величины переменного резистора 1 2, который определяетКак известно, коэффициент усиления (мао-З 0штаб) масштабного усилителя на его выходное напряжение, потому что произведение нуля на любой коэффициент дает в итоге нуль (в режиме холостого хода напряжения ца датчике тока, подключенном ковходу масштабного усилителя, равно нулю),Поэтому в режиме холостого хода настройка максимального уровня определяетсятолько потенциометром 14. После настройки максимального уровня возможна точ ная настройка минимального уровня с псмошью резистора 12, Таким образомвсистеме электропитания существует толькозависимость настройки минимального уровня от настройки максимального уровня, ючто позволяет производить точную настройку обоих уровней в определенной последовательности (сначала максимальногоуровня, а затем - минимального), в товремя как в прототипе обе настройки вза.имоэависимы и поэтому их точная настройка вообще невозможна. В качестве источника 20 двухполярно. го напряжения могут быть использованы два выпрямителя, подключенные к дополнительной обмотке сетевого трансформатора) при наличии сети переменного тока и сетевого трансформатора) . Можно использовать 01 8также дополнительную обмотку выходноготрансформатора (тоже при его наличии)импульсного стабилизатора (стабилизированного преобразователя) или дополнителную обмотку дросселя фильтра импульсного стабилизатора,Если по условиям работы стабилизатор,напряжения рассматриваемого типа долженработать от сети постоянного тока илипеременного, но беэ применения сетевоготрансформатора, то кроме гальваническойразвязки между выходом импульсного стабилизатора (преобразователя) и входомнепрерывного стабилизатора, осуществляемой обычно посредством выходного трансформатора и выпрямителя, требуется ещеи развязка между измерительным и управляющим элементами импульсного стабилизатора (преобразователя), т.е, передачасигнала от измерительного на управляющий элемент происходит так, чтобы обаони оставались изолированными друг отдруга.В изобретении это достигается (см.фиг, 2) за счет применения узла галванической развязки 24, выполненного набазе оптронного диода 25.Так как светодиод оптронного диода 25подключен в направлении проводимости между выходом операционного усилителя 17схемы сравнения и через резистор 26 -с выводом источника 20 отрицательнойполярности, то ток светодиода существуетпрц любых соотношениях напряжений нажодах операционного усилителя 17 изменяется только его величина. При изменении тока светодиода оптронного диода 25изменяется и ток его фотодиода. Источником питания цепи фотодиода может бытьисточник первичного питания (см, фиг. 2)или источник питания управляющегоэлеменга импульсного стабилизатора, если онпитается не непосредственно от сети первичного напряжения, а от других узлов импульсного стабилизатора.Изменение тока фотодиода оптронногодиода 25 приводит к перераспределениюнапряжений между резистором 27 и фотодиодом, а значит к изменению напряженияна входе управляющего элемента 3, подключенного к фотодиоду. Так как фаза напряжения на фотодиоде не отличается отфазы напряжения на выходе схемы сравнения, а инерционность оптронного диода25 совсем незначительна, то динамикаработы стабилизатора в результате применения в нем оптронного диода 25 не и -меняется. Уменьшение амплитуды пере-данного через оптронный диод 25 сигнала2, Система электропитания постоянногонапряжения по п. 1, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью обеспечения гальванической развязки между первичной сетью и выходом системы, между измерительным и управляющим элементами импульоного стабилизатора включен узел гальванической развязки, выполненный на базеоптронного диода, светодиод которого,последовательно с резистором включен между выходом дифференциального усилителяизмерительного элемента импульсного стабилизатора и выходом отрицательной полярности источника двухполярного напряжения этого элемента, а фотодиод подключен ко входу управляющего элемента импульсного стабилизатора и одновременно,через резистор к источнику питания этого элемента,3, Система электропитания по и. 1,отличающаяся тем,чтоусилитель сигнала датчика тока выполнен ввиде масштабного неинвертирующего усилителя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Домеников В. И. и Казанский Л. М.С табилизиронны е источники электропитания судовой радиоэлектронной аппаратуры.2. Гейман Г. В. и Есин В. А. Расчетмагнитоэлектронных стабилизаторов напряжения. М., фЗнергия", 1971, с, 6. рис.2,97429из-за невысокого его коэффициента передачи легко компенсируется усилением схемы сравнения и управляющего элемента.Предложенная система выгодно отличается от прототипа тем, что в ней обеспечена точная настройка обоих уровней напряжений регулирующего элемента непрерывного стабилизатора за счет принципиального исключения их взаимозависимости,Это позволяет устанавливать на регулируюОщем элементе оптимальные уровни напряжений, что дает возможность повысить КПДстабилизатора благодаря тому, что удаетсяизбежать излишнего рассева мощности нарегулирующем элементе непрерывного стабилизатора. При этом повышается и надеж. ность стабилизатора вследствие уменьшения разогрева транзистора (транзисторов)регулирующего элемента. Следует указатьтакже и на дополнительную полезность ста билизатора, заключающуюся в уменьшениивремени его настройки, что уменьшает производственные затраты при его изготовлении и повышает его технологичность, Кроме того, в нем просто решена задача галь 25ванической развязки между выходом и первичной сетью применительно к структурестабилизатора, предложенной для достижения основной цели изобретения,Использование в нем интегральных мик росхем (операционных усилителей) спосоЬствует повышению температурной стабильности его параметров, а также миниатюризации его узлов.Формула иэобретения 351. Система электропитания постоянного напряжения, содержащая импульсныйстабилизатор, состоящий из последовательно включенных измерительного элементас датчиком тока, подключенным к нему 4 Оусилителем сигнала датчика тока с резистивными делителями напряжения и источником опорного напряжения, управляющегои силового элементов, и непрерывный стабилизатор, вход которого соединен с выхо дом импульсного стабилизатора, состоящийиз последовательно включенных измерительного элемента, вход которого соединен свыходом системы электропитания постоянного напряжения, и регулирующего элемен та, к которому подключен измерительныйэлемент импульсного стабилизатора, при-,чем датчик тока этого элемента включенмежду регулирующим элементом непрерыв.ного стабилизатора и выходом системыэлектропитания постоянного напряжения, аодин из крайних выводов резистивного делители напряжения подключен ко входу регулирующего элемента непрерывного ста 0110билизатора, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения КПД и надежности за счет повышения точности настроек уровней напряжений регулирующего элемента непрерывного стабилизатора путем исключения их взаимозависимости в измерительный элемент импульсного стабилизатора введен дифференциальный усилитель, к неинвертирующему входу которого подключен выход первого реэистивного делителя, включенного между источником опорного напряжения и выходом усилителя датчика тока, вход которого через резистор подключен к датчику тока, а к инвертирующему входу дифференциального усилителя через второй резистивный делитель подключен переход коллектор-эмиттер транзистора регулирующего элемента непрерывного стабилизатора, причем общая точка регулирующего элемента этого стабилизатора и датчика тока соединена с общим проводом измерительного элемента импульсного стабилизатора, а цепи питания обоих усилителей этого элемента подключены к введенному источнику двухполярного напряжения.742901аказ 3465/42 Тираж 956 Подписное ЦНИИПфилиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,