RU2117983C1

RU2117983C1 - Extreme power regulator

Info

Publication number: RU2117983C1
Application number: RU96113968A
Authority: RU
Inventors: С.М. Карабанов; В.В. Симкин
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Гелион"
Priority date: 1996-07-11
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 1998-08-20

Abstract

FIELD: autonomous power supply systems with non-regulated primary direct current power supply. SUBSTANCE: device has unit of power gates and serial circuit of with its inner resistor, choke winding, reverse diode unit and load. In addition device has positive feedback circuit, which has serial circuit of two resistors and is connected between common line and terminal which is shared by choke winding, unit of power gates and reverse diode unit. In addition device has amplifying transistor and transistor which works as non-linear resistor. Collectors of these resistors are connected to control input of unit of power gates; their bases are connected to common terminal of resistors which serves as output of positive feedback circuit. Emitter of amplifying transistor is connected to output resistor of power supply. Emitter of transistor which works as non-linear resistor is connected to common line. EFFECT: simplified design, improved power characteristics. 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к системам электропитания постоянного тока и может быть использовано при реализации автономных систем электроснабжения с нерегулируемыми первичными источниками постоянного тока ограниченной мощности, например, с солнечными батареями (СБ). The present invention relates to DC power systems and can be used in the implementation of autonomous power supply systems with unregulated primary direct current sources of limited power, for example, with solar panels (SB).

Известен импульсный регулятор мощности автономных систем электроснабжения, предназначенный для повышения коэффициента использования СБ путем автоматической настройки на режим работы в точке максимальной мощности СБ [1]. Known pulse power regulator autonomous power supply systems, designed to increase the utilization of SB by automatically tuning to the operating mode at the point of maximum power SB [1].

Однако этот регулятор сложен в изготовлении, имеет низкую надежность, требует больших аппаратных и энергетических затрат. However, this regulator is difficult to manufacture, has low reliability, requires large hardware and energy costs.

Введение в регулятор мощности дополнительно датчиков температуры и освещенности, как это сделано в устройстве [2], позволяет повысить точность регулирования, однако при этом еще более увеличивает аппаратные и энергетические затраты. The introduction of additional temperature and light sensors into the power regulator, as was done in the device [2], makes it possible to increase the accuracy of regulation, but at the same time it further increases the hardware and energy costs.

Наиболее близким по технической сущности к рассматриваемому устройству является экстремальный регулятор мощности [3] , в состав которого входит силовой канал, состоящий из основной обмотки дросселя, блока обратных диодов и блоки силовых ключей, а также канал регулирования, включающий в себя датчик Холла, формирователь импульсов в виде параметрического стабилизатора переменного напряжения с дополнительной обмоткой дросселя, преобразователь информации, транзисторный ключ, пороговый элемент на стабилитроне, параллельную RC-цепь и набор резисторов. The closest in technical essence to the device under consideration is an extreme power regulator [3], which includes a power channel consisting of a main inductor winding, a block of reverse diodes and power switch blocks, as well as a control channel that includes a Hall sensor, a pulse shaper in the form of a parametric AC voltage stabilizer with an additional inductor winding, an information converter, a transistor switch, a threshold element on a zener diode, a parallel RC circuit and a set of p ican.

При выбранном схемном построении регуляторов величина мощности, поступающей от первичного источника питания в нагрузку, колеблется в окрестности своего максимума. With the selected circuit design of the regulators, the amount of power coming from the primary power source to the load fluctuates in the vicinity of its maximum.

Большие аппаратные и энергетические затраты в данном устройстве связаны с использованием в нем датчика Холла, размещаемого в немагнитном зазоре дросселя, формирователя импульсов, преобразователя информации, порогового элемента, RC-цепи, диодных и резистивных цепей. Large hardware and energy costs in this device are associated with the use of a Hall sensor in it, located in the non-magnetic gap of the inductor, pulse shaper, information converter, threshold element, RC circuit, diode and resistive circuits.

Сущность предлагаемого изобретения: устройство содержит источник питания 1 постоянного тока с внутренним сопротивлением 2, нагрузку 3, блок силовых ключей 4, дроссель 5, блок обратных диодов 6, транзистор-усилитель 7, транзистор-нелинейное сопротивление 8, резисторы 9, 10. Такое построение регулятора мощности позволяет существенно уменьшить аппаратные затраты при его построении и улучшить его удельные энергетические характеристики. Это обеспечивается за счет использования элементов силового канала в качестве элементов канала регулирования; за счет использования интегрирующих и дифференцирующих свойств LR-цепи, состоящей из индуктивности дросселя и внутреннего сопротивления первичного источника питания; за счет исключения из устройства транзистора, сильноточных цепей со стабилитронами, диодами и резисторами, а также дорогостоящих трансформаторов и датчика Холла. Вместо всех этих элементов в устройство дополнительно введено два транзистора 7, 8, работающих в импульсном режиме малых токов и резистивная высокоомная (общее сопротивление 40 кОм) цепь обратной связи из сопротивлений 9, 10. The essence of the invention: the device contains a DC power source 1 with internal resistance 2, load 3, power switch block 4, inductor 5, reverse diode block 6, transistor amplifier 7, transistor non-linear resistance 8, resistors 9, 10. This construction power regulator can significantly reduce hardware costs during its construction and improve its specific energy characteristics. This is achieved through the use of power channel elements as elements of a control channel; through the use of the integrating and differentiating properties of the LR circuit, consisting of the inductance of the inductor and the internal resistance of the primary power source; due to the exclusion from the device of the transistor, high-current circuits with zener diodes, diodes and resistors, as well as expensive transformers and a Hall sensor. Instead of all these elements, two transistors 7, 8 operating in the pulsed mode of low currents and a high-resistance resistive (total resistance of 40 kOhm) feedback loop from resistances 9, 10 are additionally introduced into the device.

На фиг. 1 изображена электрическая схема предлагаемого экстремального регулятора мощности, на фиг.2 - диаграммы, поясняющие его работу. In FIG. 1 depicts an electrical diagram of the proposed extreme power regulator, figure 2 is a diagram explaining its operation.

Регулятор мощности содержит источник питания 1 с внутренним сопротивлением 2 (условно выделено на схеме в виде отдельного элемента), нагрузку 3, блок силовых ключей 4, дроссель 5, блок обратных диодов 6, транзистор-усилитель 7, транзистор-нелинейное сопротивление 8, резисторы 9, 10. The power regulator contains a power source 1 with internal resistance 2 (conditionally highlighted in the diagram as a separate element), load 3, power switch block 4, inductor 5, block of inverse diodes 6, transistor amplifier 7, transistor non-linear resistance 8, resistors 9 , ten.

Внутреннее сопротивление 2 совместно с дросселем 5 входит в состав времязадающей RL-цепи мультивибратора с интегрирующим контуром, который питается от источника 1 и работает в автоколебательном режиме. Кроме блоков 2 и 5 в состав мультивибратора входят блоки 4, 7, 8, сопротивления 9 и 10. The internal resistance 2 together with the inductor 5 is part of the multi-vibrator timing RL circuit with an integrating circuit, which is powered by source 1 and operates in self-oscillating mode. In addition to blocks 2 and 5, the multivibrator includes blocks 4, 7, 8, resistance 9 and 10.

Условно мультивибратор можно считать каналом регулирования. При этом некоторые элементы его входят в состав силового канала, включающего в себя внутреннее сопротивление 2, блок силовых ключей 4, дроссель 5, блок обратных диодов 6. Conventionally, a multivibrator can be considered a control channel. At the same time, some of its elements are part of the power channel, which includes internal resistance 2, the power switch block 4, the inductor 5, the block of reverse diodes 6.

Блоки транзисторов 4, 7, 8 совместно с сопротивлением 2 и дросселем 5 образуют усилитель постоянного тока, охваченный с помощью резистивного делителя из сопротивлений 9, 10 положительной обратной связью (ПОС). Убедиться в этом можно на следующем примере: при возрастании напряжения в точке "с" (фиг. 1) транзистор 7, работая как усилительный каскад в схеме с общим эмиттером, начинает закрываться, а транзистор 8 - открываться. Транзистор 8 играет роль нелинейной нагрузки транзисторного каскада 7. Напряжение на коллекторах этих транзисторов понижается, что приводит к закрыванию транзистора 4 и к увеличению напряжения на его коллекторе (точка "б"). В итоге напряжение в точке "с" еще больше возрастает. The blocks of transistors 4, 7, 8 together with the resistance 2 and the inductor 5 form a DC amplifier, covered by a resistive divider from the resistances 9, 10 with positive feedback (PIC). You can verify this by the following example: when the voltage increases at point “c” (Fig. 1), transistor 7, working as an amplifier stage in a circuit with a common emitter, starts to close, and transistor 8 opens. The transistor 8 plays the role of a nonlinear load of the transistor stage 7. The voltage at the collectors of these transistors decreases, which leads to the closing of the transistor 4 and to an increase in the voltage at its collector (point "b"). As a result, the voltage at point "c" increases even more.

Аналогично снижение напряжения в точке "с" приводит к понижению напряжения на коллекторе транзистора 4 (точка "б"), что еще более снижает напряжение в точке "с". Similarly, a decrease in voltage at point "c" leads to a decrease in voltage at the collector of transistor 4 (point "b"), which further reduces the voltage at point "c".

Следовательно, условно можно считать вход "с" неинвертирующим входом усилителя с выходом в точке "б", а делитель напряжения на сопротивлениях 9, 10 - цепью ПОС. Therefore, conditionally we can consider the input "with" the non-inverting input of the amplifier with the output at point "b", and the voltage divider at the resistances 9, 10 - POS circuit.

Если в качестве второго входа усилителя рассматривать вход "а", то можно заметить, что увеличение напряжения в точке "а" (U_a) приводит к открыванию транзисторов 4, 7. А за счет цепи обратной связи 9, 10 это обеспечивает закрывание транзистора 8. В итоге напряжение на выходе усилителя (точка "б") убывает.If we consider the input "a" as the second input of the amplifier, then we can see that an increase in voltage at the point "a" (U _a ) leads to the opening of transistors 4, 7. And due to the feedback circuit 9, 10 this ensures that the transistor 8 is closed As a result, the voltage at the output of the amplifier (point "b") decreases.

И, наоборот, снижение величины U_a приводит к увеличению напряжения на выходе усилителя.And, conversely, a decrease in the value of U _a leads to an increase in the voltage at the output of the amplifier.

Вход "a" условно можно считать инвертирующим входом усилителя, реагирующим на переменную составляющую напряжения в этой точке, так как сопротивление дросселя 5 проявляется только на переменном токе. The input "a" can conditionally be considered the inverting input of the amplifier, responsive to the alternating voltage component at this point, since the resistance of the inductor 5 is manifested only on alternating current.

Рассматриваемый усилитель в совокупности с цепью ПОС образует гистерезисный компаратор, формирующий неоднозначную характеристику "вход-выход" и сравнивающий два напряжения U_a и U_c, где U_c - напряжение в точке "c". Если U_c < U_a, то выходное напряжение компаратора (в точке "б") мало и определяется падением напряжения U $\binom{0}{σ}$ на открытом транзисторе 4. Блок обратных диодов 6 при этом закрыт.The considered amplifier in combination with the PIC circuit forms a hysteresis comparator, which forms an ambiguous input-output characteristic and compares two voltages U _a and U _c , where U _c is the voltage at point "c". If U _c <U _a , then the output voltage of the comparator (at point "b") is small and is determined by the voltage drop U $\binom{0}{σ}$ on the open transistor 4. The block of reverse diodes 6 is closed.

Если же U_c > U_a, то на выходе компаратора устанавливается высокий уровень напряжения U $\binom{1}{σ}$ , близкий по своему значению к напряжению на нагрузке 3, так как блок обратных диодов при этом оказывается открытым.If U _c > U _a , then a high voltage level U is set at the output of the comparator $\binom{1}{σ}$ , which is close in value to the voltage at load 3, since the block of reverse diodes in this case is open.

Величина напряжения U_c определяется произведением
U_c= γU_σ
где

- коэффициент передачи цепи обратной связи из сопротивлений 9, 10 выбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, величина γU

\binom{1}{σ}

была несколько больше того напряжения СБ, при котором обеспечивается режим максимальной передачи мощности в нагрузку, а с другой стороны, чтобы произведение γU

\binom{1}{σ}

не превышало максимально возможное значение напряжения на выходе СБ.The voltage U _c is determined by the product
U _c = γU _σ
Where

- the transmission coefficient of the feedback circuit from the resistances 9, 10 is selected so that, on the one hand, the value γU

\binom{1}{σ}

was slightly higher than the SB voltage at which the maximum power transfer to the load is ensured, and on the other hand, so that the product γU

\binom{1}{σ}

did not exceed the maximum possible value of the voltage at the output of the SB.

Рассмотрим работу устройства. Предполагаем, что в момент времени t_l (фиг.2) устанавливается режим работы, при котором U_c > U_a и транзисторы 7, 4 переходят из открытого состояния в закрытое - на выходе компаратора устанавливается высокий уровень напряжения U $\binom{1}{σ}$ (фиг.2б). Напряжение на выходе интегрирующей RL-цепи (точка "a", фиг.1) начинает возрастать, асимптотически стремясь к значению U $\binom{1}{σ}$ , однако в момент времени t₂ оно начинает превышать напряжение U_c= γU $\binom{1}{σ}$ . Транзистор 7 начинает открываться совместно с транзистором 4. За счет цепи ПОС транзистор 8 закрывается, а транзистор 7 еще более открывается. Развивается лавинообразный процесс, в результате которого транзистор 4 быстро переводится в режим насыщения, напряжение на его коллекторе падает до величины U $\binom{0}{σ}$ . , а в точке "с" - до величины γU $\binom{0}{σ}$ .
Ток дросселя 5 начинает возрастать - напряжение на выходе интегрирующего контура падает, асимптотически стремясь к значению U $\binom{0}{σ}$ . Но в некоторый момент времени t₃ оно становится меньше значения U_c= γU $\binom{0}{σ}$ (U_a < U_c) - компаратор изменяет свое состояние, и весь процесс повторяется. В системе возникают периодические колебания.Consider the operation of the device. We assume that at time t _l (Fig. 2) an operating mode is established in which U _c > U _a and transistors 7, 4 go from open to closed - a high voltage level U is set at the output of the comparator $\binom{1}{σ}$ (figb). The voltage at the output of the integrating RL-circuit (point "a", figure 1) begins to increase, asymptotically tending to the value of U $\binom{1}{σ}$ however, at time t ₂ it begins to exceed the voltage U _c = γU $\binom{1}{σ}$ . The transistor 7 starts to open together with the transistor 4. Due to the PIC circuit, the transistor 8 closes, and the transistor 7 opens even more. An avalanche-like process develops, as a result of which transistor 4 quickly switches to saturation mode, the voltage at its collector drops to a value of U $\binom{0}{σ}$ . , and at point c, up to γU $\binom{0}{σ}$ .
The inductor current 5 begins to increase - the voltage at the output of the integrating circuit drops, asymptotically tending to the value of U $\binom{0}{σ}$ . But at some point in time t ₃ it becomes less than the value U _c = γU $\binom{0}{σ}$ (U _a <U _c ) - the comparator changes its state, and the whole process repeats. Periodic oscillations occur in the system.

Напряжение в точке "а" (фиг.1) задает положение рабочей точке СБ на ее выходной вольт-амперной характеристике (BAX). А в соответствии с принципом действия мультивибратора напряжение U_a в момент коммутации совпадает с величиной напряжения U_c, которое в свою очередь составляет произведение U_c= γU $\binom{1}{σ}$ .
Величина γ , как уже отмечалось, выбирается таким образом, чтобы рабочая точка СБ в момент коммутации оказывалась бы несколько выше точки максимальной отдачи мощности в нагрузку, то есть точки максимального перегиба BAX источника питания.The voltage at point "a" (Fig. 1) sets the position of the operating point of the SB on its output current-voltage characteristic (BAX). And in accordance with the principle of operation of the multivibrator, the voltage U _a at the time of switching coincides with the voltage U _c , which in turn is the product U _c = γU $\binom{1}{σ}$ .
The value of γ, as already noted, is chosen so that the operating point of the SB at the time of switching would be slightly higher than the point of maximum power output to the load, that is, the point of maximum inflection BAX of the power source.

Замыкание блока ключей 4, кроме того, приводит к появлению тока источника 1, который протекает от положительного полюса к отрицательному через внутреннее сопротивление 2 и дроссель 5. При этом ток дросселя 5 начинает возрастать во времени, что обуславливает увеличение падения напряжения на внутреннем сопротивлении 2 источника - рабочая точка СБ смещается вниз по ее BAX. Начинается процесс ограничения выходного тока источника питания за счет увеличения тока нагрузки. The closure of the key block 4, in addition, leads to the appearance of the current of the source 1, which flows from the positive pole to the negative through the internal resistance 2 and inductor 5. In this case, the current of the inductor 5 begins to increase in time, which leads to an increase in the voltage drop across the internal resistance 2 of the source - the operating point of the SB moves down along its BAX. The process of limiting the output current of the power source by increasing the load current begins.

Рабочая точка СБ проходит по BAX точку максимального отбора мощности и в соответствии с принципом действия мультивибратора достигает значения γU $\binom{0}{σ}$ - блок ключей 4 закрывается и компаратор изменяет свое состояние, обеспечивая на выходе (в точке "б") напряжение U $\binom{1}{σ}$ . Противо-ЭДС индуктивности дросселя 5 резко возрастает и, суммируясь с напряжением источника 1, открывает блок обратных диодов 6. Индуктивность начинает расходовать накопленный заряд, отдавая ток в нагрузку. По мере спада напряжения противо-ЭДС возрастает напряжение U_a на выходе источника. Рабочая точка СБ смещается вверх по BAX до тех пор, пока начнет выполняться неравенство U_a>γU $\binom{1}{σ}$ . То есть рабочая точка вновь проходит по BAX точку максимального отбора мощности.The SB operating point passes along the BAX maximum power take-off point and, in accordance with the principle of operation of the multivibrator, reaches the value γU $\binom{0}{σ}$ - the key block 4 is closed and the comparator changes its state, providing the voltage U at the output (at point “b”) $\binom{1}{σ}$ . The counter-EMF of the inductance of the inductor 5 increases sharply and, summing up with the voltage of the source 1, opens the block of reverse diodes 6. The inductance begins to expend the accumulated charge, giving the current to the load. As the voltage decreases, the counter-EMF increases the voltage U _a at the source output. The operating point of the SB moves up BAX until the inequality U _a > γU $\binom{1}{σ}$ . That is, the operating point again passes along the BAX maximum power take-off point.

Таким образом, периодические колебания мультивибратора обусловливают колебания рабочей точки СБ в окрестности точки максимального перегиба BAX. При этом как результат изменения выходного тока и напряжения источника питания l изменяется и выходная мощность источника в области ее максимального значения. Диапазон изменения выходной мощности задается величиной коэффициента передачи γ цепи обратной связи. Thus, periodic vibrations of the multivibrator cause fluctuations in the operating point of the SB in the vicinity of the point of maximum inflection BAX. Moreover, as a result of changes in the output current and voltage of the power source l, the output power of the source also changes in the region of its maximum value. The range of output power changes is determined by the value of the transfer coefficient γ of the feedback circuit.

Достаточно четкому выделению точки максимального перегиба BAX источника питания 1 способствует то обстоятельство, что по отношению к источнику 1 рассматриваемая RL-цепь является дифференцирующей цепью. И всякое изменение тока J_L источника (блоки 1, 2) вызывает пропорциональное изменение напряжение на индуктивности L дросселя 5 (то есть в точке "a"):

В рассматриваемом экстремальном регуляторе мощности оптимальный режим работы сочетается с простотой конструкции, не требующей применения трансформаторов, датчика Холла и сильноточных цепей со стабилитронами, и предопределяет минимальные затраты мощности на обеспечение необходимого режима работы.A sufficiently clear identification of the point of maximum inflection BAX of the power source 1 is facilitated by the fact that in relation to the source 1, the RL circuit in question is a differentiating circuit. And any change in the current J _{L of the} source (blocks 1, 2) causes a proportional change in the voltage at the inductance L of the inductor 5 (that is, at point "a"):

In the extreme power controller under consideration, the optimal operation mode is combined with the simplicity of the design, which does not require the use of transformers, a Hall sensor and high-current circuits with zener diodes, and determines the minimum power consumption to ensure the required operation mode.

Claims

An extreme power regulator containing a block of power switches and a power supply connected in series with its internal resistance, a choke coil, a block of reverse diodes and a load, with the other terminals having a power supply and load connected to a common bus, and a block of power switches connected between a common bus and a terminal common to the winding of the inductor and the block of reverse diodes, characterized in that a positive feedback circuit consisting of two series-connected resistors and connected between the common bus and the output common to the winding of the inductor, power switch block and reverse diode block, as well as a transistor-amplifier and non-linear resistance transistor, the collectors of which are connected to the control input of the power switch block, and the bases are connected to the common output of the resistors, which is the output positive feedback circuit, the emitter of the transistor-amplifier is connected to the terminal common to the internal resistance of the power supply and the inductor winding, and the emitter of the transistor-nonlinear resistance is connected to the common bus e.