Стабилизатор напряжения

СОЮЗ СОВЕ СОЦИАЛИСТ РЕСПУБЛИК х С 05 Е 1/56 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ табилизи- схема импульсов(фиг,1) атор 1, п лючена в подключен подклювелиокаегулибщему выво - к первомутабилизиОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТПРИ ГКНТ СССР 1(71) Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по проблемам развития Канско-Ачинского угольного бассейна(53) 621.3 16.722. 1 (0888) (56) Авторское свидетельство СССР У 105 1672 кл. Н 02 М 7/06, 1983,Григорьев А. Блок питания 129 В; Радио, 1984, В 3, с. 36-37. (54) СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры, Целью изобретения является увеличение диапазона регулирования тока нагрузки при широких пределах регулирования выходного напряжения. Стаби- . лизатор напряжения содержит силовой трансформатор, и+ 1 выпрямительных ячеек, конденсатор Фильтра, 2 п диоИзобретение относится к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры.Целью изобретения является у чение диапазона регулирования т нагрузки при широких пределах р рования выходного напряжения.На фиг.1 приведена схема стабили затора напряжения на фиг.2 и 3 -. дов стабилизирующую ступень и блокпамяти, причем каждая выпрлмительнаяячейка содержит диод, полупроводниковые ключевые элементы, мостовой выпрямитель и обмотку с отводом от середины, размещенную на силовом трансформаторе. Увеличение диапазона ре"гулирования тока нагрузки при широкихпределах регулирования выходного напряжения достигается за счет переключений выпрямительных ячеек из последовательного режима работы в параллельный, а также за счет переключениявыпрямителей ячеек из режима работыпо мостовой схеме в режим работы подвухполупериодной схеме, осуществляемьж ключевыми элементами. Ключевыеэлементы управляются сигналами отблока памяти, подключенного к информационным выходам стабилизирующейступени, Кроме того, изобретение позволяет увеличить коэффициент использования силового трансформатора и повысить ИЩ стабилизатора, 2 з.п,ф-лы,4 ил,примеры выполнения схемь рующей ступени; на фиг,4 Формирователя управлягощихСтабилизатор напряжени содержит силовой трансфор вичная обмотка которого в сеть. Вторичная обмотка 2 к мостовому выпрямителю 3 ченному одним выводом к о , ду стабилизатора, а другим ключу 4 и второму входу срующей ступени 5.Отвод обмотки 2через диод 6 соединен с ключом 4,диодом 7 и третьим ключом 8 второйеыпрямительной ячейки 9, выполненнойна диодах 7 и 10, ключах 8 и 11 ивторичной обмотке 12, подключеннойк мостовому выпрямителю 13, Диод 7вторым выводом подключен к диоду 10,второму ключу 11 и диоду 14 и ключу 1015 первой ячейки 16, выполненной надиодах 14 и 17, ключах 15 и 18 и вторичной обмотке 19, подключенной кмостовому выпрямителю 20, Диод 14вторым выводом подключен к диоду 7,Ключу 18, первому входу ступени 5и конденсатору фильтра 21. Диод 10вторым выводом соединен с отводомобмотки 12, а диод 17 - с отводомобмотки 19. Ключ 11 соединен с первым 20выходным выводом выпрямителя 13, аключ 18 - с первым выходным выводомвыпрямителя 20, второй выходной вывод которого подключен к ключу 15и диоду 22, Второй вывод диода 22 25соединен с вторым выходным выводомвыпрямителя 13, ключом 8 и диодом23, подключенным другим выводом кобщему выводу, Выход ступени 5 подключен к выходу стабилизатора, а информационные выходы - к входам блока24 памяти, выходы которого подключены к управляющим входам всех ключей,Стабилизирующая ступень 5 (фиг,2)содержит регулирующий элемент 25,включенный между перьым входом и выходом ступени и управляющим входомсоединенный с выходом усилителя 26,инвертирующий вход которого подключен к выходу стабилизатора и входу 40первого аналого-цифрового преобразователя 27, а неинвертирующий вход -к выходу источника 28 опорного напряжения, Второй вход ступени черездиод 29 подключен к конденсатору 30и входу второго аналого-цифровогопреобразователя 3 1. Цифровые выходыпреобразователей 27 и 31 подключенык входам блока 24 памяти,Стабилизирующая ступень 5, показанная на фиг,З, содержит регулирующий элемент 25, включенный междупервым входом и выходом ступени иуправляющим входом соединенный с выходом усилителя 26, неинвертирующийвход которого подключен к выходуцифроаналогового преобразователя 32,цифровые входы которого подключенык выходам реверсивного счетчика 33 и входам блока 24 памяти, Счетные входысчетчика 33 подключены к формирователю 34 управляющих импульсов, первый выход которого подключен к первому входу логического элемента 2ИЛИ - НЕ 35, второй вход которого через стабилитрон 36 соединен с общимвыводом, а через параллельно соединенные диод 37 и резистор 38 - свыходом стабилизатора. Цифровые входы счетчика 33 подключены к общемупроводу и источнику питания так,чтобы код, получаемый в результатетакого подключения цифровых входовсоответствовал максимальному кодусчетчика 33. Выход переноса счетчика 33 подключен к его управляющемувходу записи.Формирователь 34 управляющихимпульсов (фиг.4) содержит три ЕБтриггера 39, 40 и 41, установочныеК и Я входы которых подключены кнеподвижным контактам соответствующих кнопок "Режим" 42, "+" 43 и "-"44, подвижные контакты которых соединены с общим выводом. Выход первого триггера 39 подключен к счетномувходу четвертого триггера 45, прямойвыход которого подключен к входу генератора 46, а инверсный через последовательно соединенные резистор 47и светодиод 48 - к источнику питания.Выход генератора 46 подключен к первым входам первого и второго логических элементов 49 и 50, вторые входыкоторых подключены к выходам соответственно второго и третьего триггеров, Выход элемента 49 подключен квыходу формирователя 34, соединенного с входом на увеличение реверсивного счетчика 33, а выход элемента 50 - с входом на уменьшение. Выходтриггера 39 подключен к первому входу формирователя 34, соединенному свходом элемента 35 (Лиг.З),В качестве полупроводниковых ключей можно использовать как транзисторы, так и тиристоры с соответствующими цепями согласования с выходамиблока 24 памяти, выполненного, например, на микросхемах КР 556 РТ 5. Вкачестве АЦП можно использовать микросхему К 572 ПВ 1 или ей подобные, ав качестве усилителя - операционныйусилитель - микросхемы К 140 УД 1,К 140 УД 2 с соответствующими делителями на входе. Источником опорного напряжения может быть любой регулируе20 25 30 35 40 45 50 5 15мый источник опорного напряжения.В качестве ЦАП можно использовать,например, микросхему К 572 ПА 1,К 572 ПА 2 и др., а реверсивным счетчик33 может быть выполнен на микросхемеК 155 ИЕ 7, триггеры 39, 40, 4 1 и 45 -на микросхеме К 155 ТМ 2, а элементы49 и 50 - на микросхеме К 155 ЛИ 1.Стабилизатор напряжения работаетследующим образом,Ступень 5 и блок 24 памяти управляют работой ключей так, чтобы в зависимости от величины выходного ивходного напряжения напряжение навыходе выпрямителя, т.е. на входеступени, быпо минимально необходимымдля нормальной работы стабилизатора.Когда все ключи выключены, вторичныеобмотки 2, 12 и 19 работают по схемам двухполупериодных выпрямителейпараллельно на кзнденсатор 21, Обмотка 2 работает через диоды 6, 7и 14 и соответстнующие диоды моста 3, оомотка 12 - через диоды 10 и14, соответствующие диоды моста 13и диод 23, а обмотка 19 - через диод17, соответствующие диоды моста 20,диоды,22 и 23, Когда включены ключи4, 11 и 18, обмотки 2, 12 и 19 работают по схемам мостовых выпрямителейтакже параллельно на конденсатор 21.При открывании ключей 4, 11 и 18 диоды б, 10 и 17 закрываются напряжениями, поступающими с соответствующихмостовых выпрямителей 3, 13 и 20 через открытые ключи, при этом обмотка2 работает через мост 3, ключ 4 идиоды 7 и 14, обмотка 12 - через мост13, ключ 11 и диоды 14 и 23, а обмотка 19 - через мост 20, ключ 18 идиоды 22 и 23. При включении ключа 8мост 13 соединяется с диодами 6 и 7,в результате диод 23 закрывается выходным напряжением, поступающим отобмотки 2 через ключ 8, а диод 7выходным напряжением ячейки 9, поступающим через ключ 8 и диод 10 илиключ 11 от обмотки 12. Таким образом,при включении ключа 8 обмотка 2 иячейка 9 включаются последовательно, а ячейка 16 оказывается подключенной только параллельно ячейке 9,так как диод 23 закрыт и точка соединения диода 23 с диодом 22 становится общей для ячеек 9 и 16 При включении ключа 15 мост 20 соединяетсяс диодами 14, 10 и 7, в результатедиод 22 закрывается выходным напряжевием ячейки 9, а диод 14 - выходнымнапряжением ячейки 16, поступающимчерез ключ 15 и диод 17 или ключ 18от обмотки 19, Следонательно, нключение ключа 15 приводит к последовательному включению ячеек 9 и 16, приэтом в зависимости от режима работыключа 8 ячейка 9 может работать так параллельно обмотке 2, так и последовательно с ней,Таким образом, включение ключей4, 11 и 18 приводит к переключениювыпрямительных ячеек с двухполупериодных схем выпрямпения в мостовые,а включение ключей 8 и 15 переключает ячейки с параллельной работы в.последовательную. Следовательно, переключение ключей соответствующим образом в схеме на фиг1 позволяет получить на выходе выпрямителя шестьступеней выпрямленного напряжения.Переключение ключей производится сигналами с выходов блока 24 памяти всоответствии с программой, записанной в блок 24 по сигналам на еговходе, поступающим со стабилизирующей ступени 5,Ступень 5, показанная на фиг.2,работает следующим образом. Регулирующий элемент 25, усилитель 26 и регулируемый источник 28 опорного напряжения являются элементами обычного компенсационного стабилизатора напряжения и обеспечивают стабилизацию выходного напряжения и равенство его напряжению источника 28. Первый АЦП 27 подключен к выходу стабилизатора, и цифровой код на его выходе соответствует выходному напряжению, а второй АЦП 31 подключенк мосту 3 через диод 28 и, так какнапряжение на выходе моста 3 не зависит от работы ключей, выпрямленноенапряжение на конденсаторе 30 будет определяться только напряжением сети, т,е. циФроной код на выходеАЦП 3 1 будет соответствовать сетевому напряжению. Следовательно, навходе блока 24 памяти действуют коды,определяемые выходным и сетевым напряжениями, что позволяет с помощьюблока 24 памяти преобразовывать коды,поступающие на его входы, в сигналыдля управления ключами так, чтобывыходное напряжение выпрямителяобеспечивало работоспособность стабилизатора и напряжение на регулирующем элементе было минимальным длявыходное напряжение выпрямителя;выходное напряжение стабилизатора,.данного выходного и входного напряжений вторичных обмоток.Стабилизирующая ступень 5, изображенная на фиг.3, работает следующим образом.При включении стабилизатора напряжение на выходе стабилизатора и на выходе триггера 40 (фиг.4) равны "0", следовательно, на. выходе элемента 2 ИЛИ - НК 35 сигнал "1", который поступает на вход установки нуля счетчика 33 и устанавливает на его цифровых выходах"0". ЦАП 32 код ,"0" преобразовывает в аналоговый "О", 15 который отрабатывается усилителем 26, в результате по окончании процесса включения на выходе стабилизатора будет "О". Цифровой код "0" с выходов счетчика 33 поступает в блок 20 24 памяти, который по этому коду оставляет все ключи в выключенном состоянии, т,е, на входе ступени 5 присутствует минимальное напряжение, равное одной ступени регулирования 25 выходного напряжения выпрямителя, При нажатии кнопки 43 на Б-вход триггера 40 подается "0", что приводит к появлению "1" на выходе триггера 40, т.е. на входе элемента 35, а это1 11 вызывает появление на ег о вь 1 ходе О который раз р еша ет работу счетчика 3 3 по счетным входам . Удерживая нажатой кнопку 4 3 , кратковременно нажимают кнопку 42 - "Режим", Это приводит к появлению 1" на прямом выходе триг 11 11 35 гера 45 и "0" на инверсном. В р.еэультате загорается светодиод 48, указывающий о работе генератора 46, который включается сигналом 11111 с 40 прямого выхода триггера 45, Включение генератора 46 приводит к появлению на его выходе импульсов, которые через элемент 49 поступают на счетный вход счетчика 33 и увеличивают код в счетчике 33. Увеличение кода в счетчике 33 приводит к увеличению выходного напряжения стабилизатора. При достижении кодом всчетчике 33 значения, при котором на" пряжение на регулирующем элементе50 25 Йр ), определяемое как становится минимально допустимым для элемента 25, блок 24 памяти включает ключи 4, 11 и 18, увеличивая выходное напряжение выпрямителя на одну ступень. Дальнейшее увеличение кода в счетчике 33 и напряжения на выходе стабилизатора приводит к переключению ключей выпрямителя соответствующим образом для увеличения выходного напряжения выпрямителя наследующую ступень, определяемую половиной вторичной ббмотки, при достижении напряжением на элементе 25 минимального значения. При достижении выходным напряжением требуемого значения кнопку 43 отпускают и кратковременно нажимают кнопку 42. Счетные.импульсы перестают поступать на счетный вход счетчика 33, и рост выходного напряжения прекращается. Генератор 46 выключается, и светодиод48 гаснет, Выходное напряжение стабилизатора через резистор 38 поступает на второй вход элемента 35 и удерживает сигнал "0" на его выходе, что обеспечивает сохранение установленного кода в счетчике 33, т.е. выходногонапряжения, и дальнейшую работу счетчика 33 и ступени 5 Стабилитрон 36 ограничивает напряжение на входе элемента 35 в допустимых для используемых типов микросхем пределах, Придостижении выходным напряжением стабилизатора максимального рабочего значения в счетчике 33 максимальный код и следующий счетный импульс на увеличение вызывает появление импульса на выходе переноса счетчика 33, который, поступая на управляющийвход записи счетчика 33, записывает в счетчцк 33 код, установленный на его цифровых входах, равный максимальному, а так как импульс на входесчетчика заканчивается раньше, чем на выходе переноса, то по окончании счетного импульса значение максимального кода не изменяется. Таким. образом, после достижения максимального кода в счетчике 33 поступление счетных импульсов на увеличение не изменяет состояния счетчика 33.При нажатии кнопки 44 на выходе триггера 41 появляется " 1", которая, поступая на счетный вход на уменьшение, положительным фронтом вызывает уменьшение кода в счетчике 33, если на выходе стабилизатора изменитсянапряжение, Если на выходе стабилиза1561069 тора - "О", то счетчик 33 не изменяет своего состояния, так как сигнал " 1", поступая с выхода элемента35 на вход установки нуля советчика33, препятствует его работе, Приудержании кнопки 44 нажатой и кратковременном нажатии кнопки 42 код всчетчике 33 уменьшается с частотойсчетных и:щульсов, поступающих с выхода генератора 46 на счетный входсчетчика 33. Уменьшение кода в счет.чике 33 вызывает уменьшение выходногонапряжения стабилизатора, при уменьшении которого до величины, когданапряжение на регулирующем элементе25 равно э ве "вс Прэь +Пвь где ЬБ - величина ступени регулибЬрования выходного напряжения выпрямителя,блок 24 памяти переключает ключи так,чтобы выходное напряжение выпрямителя уменьшилось на одну ступень, ит,д. до уменьшения выходного напряжения до требуемого значения, Приуменьшении выходного напряжения довеличины порога срабатывания элемента 35 при регулировании или при пере.грузке, или при коротком замыканиинагрузки на выходе элемента 35 по"является "1", которая, поступая навход установки нуля счетчика 33,устанавливает в нем "О". Таким образом, уменьшение выходного напряжения стабилизатора происходит толькодо "О", после чего счетчик 33 блокируется от дальнейшего уменьшения,препятствуя этим появлению на выходестабилизатора после "О" максимального значения при регулировке, а приперегрузке или коротком замыканиинагрузки происходит сброс кода всчетчике 33 до "О", защищая этим выход стабилизатора от аварийных режимов работы.В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом увеличен диапазонрегулирования тока нагрузки при широких пределах регулирования выходного напряжения за счет переключения вторичных обмоток трансформатораиз последовательного режима в параллельный, что увеличивает коэффициентиспользования трансформатора иуменьшает потери мощности на регулирующем элементе стабилизирующей ступени, увеличивая КПД стабилизатора. Кроме того, при переключении схемвыпрямления с мостовой на двухполунериодную ток нагрузки можно увеличить в 2 раз, но, так как транс 5 Форматор содержит (и+1) вторичныхобмоток, которые могут быть переключены с последовательного режима впараллельный, при переключении подве вторичных обмотки в параллель, ный режим работы ток нагрузки можно увеличить также в два раза, припереключении по три обмотки - в трираза, по четыре - в четыре раза, все(и+1) обмотки - в (и+1) раз. Такимобразом, переключение вторичных обмоток в параллельный режим работы .увелис 1 ивает диапазон регулированиятока нагрузки по сравнению с прототипом, во столько раз,сколько вторичных обмоток переключено на параллельную работу при снижении выходного напряжения. Например, при числе вторичных обмоток 4 и уменьшениивыходного напряжения выпрямителя в8 раз за счет переключения на парал. лельную работу вторичных обмоток,работающих по двухполупериодной схеме, ток нагрузки можно увеличить в5,6 раза.Снижение выходного напряжения приводит к уменьшению падения выходного напряжения стабилизатора приводит к уменьшению падения напряжения на регулирующем элементе стаби-.З 5 лизирующей ступени и, следовательно,к снижению выделяемой на нем мощности, т,е. к повышению КПД, Например, при уменьшении выходного напряжения в 8 раз во столько же раз4 О уменьшается и выходное напряжение выпрямителя, т.е, КПД будет таким же,как при максимальном выходном напряжении,Подключение второго АЦП к выходу45 первого мостового выпРямителя позволяет регулировать выходное напряжение выпрямителя в зависимости от напряжения сети, т,е, исключает снижение выходного напряжения выпрямителяниже выходного напряжения стабилизатора, что не требует создания. на регулирующем элементе дополнительногонапряжения для учета минимальногосетевого напряжения. Подключение55первого АЦП к выходу позволяет, кроме регулирования выходного напряжения выпрямителя в зависимости отвыходного напряжения стабилизатора,снижать выходное напряжение выпрями 156 10 б 9теля до минимума, т.е, до величины одной ступени регулирования, при перегрузке или коротком замыкании в нагрузке, что повышает надежность в работе, так как в аварийном режиме напряжение на регулирующем элементе минимально. Использование реверсивного счетчика и 1 ВБ позволяет обеспечить дистанционное управление как увеличением и уменьшением выходного напряжения, так и установкой требуемого напряжения путем подачи соответствующего кода на входы реверсивного счетчика и записью его в счетчик.Формула и з о б р е т е н и я1, Стабилизатор напряжения, содер жащий силовой трансформатор, выпрялятельную ячейку, конденсатор фильтра, стабилизирующую ступень, выход которой подключен к выходным выводам устройства, один из которых является общим выводом, причем конденсатор фильтра подключен к входу стабилизирующей ступени, кроме того, выпрямительная ячейка содержит мостовой выпрямитель и обмотку с отводол Зд от середины, размещенную на силовом трансформаторе, при этом концы этой обмотки подключены к входу мостового выпрямителя, о т л и ч а ю щ и й с я тем что с целью увеличения диапаЭ У35 зона регулирования тока нагрузки при широких пределах регулирования выходного напряжения, в него введены блок палити, 2 п диодов и и дополнительных выпрямительных ячеек, каждая иэ которых содержит диод,дваполупроводниковых .ключевых элемента, мостовой выпрямитель и обмотку с отводом от середины, размещенную на силовом трансформаторе, при этом45 концы этой обмотки подключены к входу мостового выпрямителя, а диод и первый ключевой элемент включены последовательно между отводом обмотки и первым выходом мостового выпрямителя, кроме того, в выпрямительную ячейку введены диод и полупроводниковыи ключевой элемент, включенные последовательно между отводом обмотки и первым выходом мостового выпрямителя, второй выход которого соединен с общим выводом, а вторые выходы мосто. вых выпрямителей и дополнительных выпрямительных ячеек соединены последовательно через соответствующиедиоды, причем второй выход мостового выпрямителя и-й дополнительнойвыпрямительной ячейки через диодсоединен с общим выводом, при этомточки соединения диода и первогоключевого элемента и дополнительныхвыпрямительных ячеек и выпрямительцой ячейки соединены последовательно через соответствующие диоды, кроме того, второй выход мостовоговыпрямителя каждой из и дополнительных выпрямительных ячеек соединенчерез второй ключевой элемент сточкой соединения диода и первогоключевого элемента следующей дополнительной выпрямительной ячейки,причем второй выход мостового выпрямителя и-й дополнительной выпрямительной ячейки соединен с точкойсоединения диода и ключевого эле"мента выпрямительной ячейки, а точкасоединения диода и первого ключевого элемента первой дополнительнойвыпрямительной ячейки соединена свходом стабилизирующей ступени, второй вход которой соединен с точкойсоединения первого выхода мостовоговыпрямителя и ключевого элемента выпрямительной ячейки, при этом информационные выходы стабилизирующейступени соединены с входами блокапамяти, выходы которого подключенык управляющим входам ключевых элементов,2, Стабилизатор ло п.1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что стабилизирующая ступень содержит регулирующий элемент, включенный между еепервым входом и выходом, усилитель,два аналого - цифровых преобразователя,источник опорного напряжения,диод и.конденсатор, при этом управляющий вход регулирующего элемента соединен с выходом усилителя,инвертирующий вход которого соединенс выходным выводом устройства и входом первого аналого - цифрового преобразователя, а неинвертируюшийвход - с. выходом источника опорногонапряжения, причем вхсд второго аналого - цифрового преобразователя,шунтированный конденсатором, через диодсоединен с вторым входом стабилизирующей ступени, при этом выходы аналого-цифровых преобразователей являются информационными выходами стабилизируюшей ступени, 13 1561069 143. Стабилизатор по п,1, о т- входы реверсивного счетчика соедил и ч а ю щ и й с я тем, что ста- нены с выходами формирователя управбилизирующая ступень содераит регу- ляющих импульсов, дополнительный лирующий элемент, включенный меаду выход которого подключен к входу лоее первым входом и выходом, усили- гического элемента 2 ИЛИ - НЕ, вто 5тель, аналого"цифровой преобразова- .рой вход которого через стабипитрон тель, цифроаналоговый преобразова- соедьнен с общим выводом и через патель, реверсивный счетчик, формиро- раллельно соединенные первый диод и ватель управляющих импульсов, логи резистор - с выходным выводом, а выческий элемент 2 ИЛИ - НЕ, два диода, ход логического элемента 2 ИЛИ - НЕ стабилитрон, конденсатор и резистор, подключен к входу установки нуля репри этом управляющий вход регули- версивного счетчика, выход переноса рующего элемента соединен с выходом которого соединен с управляющим вхоусилителя, инвертирующий вход кото дом записи, а вход аналого - цифроворого соединен с выходным выводом го преобразователя, шунтированный устройства, а неинвертирующий вход - конденсатором, через второй диод соес выходом цифроаналогового преобра- динен с вторым входом стабилизируюэователя, цифровые входы которого щей ступени, при этом выходы аналосоединены с выходами реверсивного 21 го - цифрового преобразователя соеднсчетчика и информационными выходами иены с информационными выходами стастабилизирующей ступени, а счетные билизирующей ступени.1561069 Составитель Н. Я Техред Л,Олийнык ш ректор И, Кучерявая еж ктор роизводственно"издательский комбинат ффПатент", г. Ужгород, ул. Гагарина аказ 977 Тираж 649НИИПИ Государственного комитета по из113035, Москва, Ж, Р Подписное тениям и открытиям при ГАНГ СССРушская наб., д. 4/5