SU1529196A1 - Релейный стабилизатор посто нного напр жени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к источникам вторичного электропитани  радиоэлектронной аппаратуры. Целью изобретени   вл етс  улучшение качества выходного напр жени  путем повышени  динамической точности при одновременном уменьшении диапазона изменени  частоты переключени . Транзисторный ключ 1 преобразует входное напр жение в последовательность пр моугольных импульсов, котора  сглаживаетс  двухзвенным фильтром 2. Длительность насыщенного состо ни  транзисторного ключа 1 определ етс  формирователем управл ющих импульсов 3. На вход последнего поступает сумма напр жений, пропорциональных выходному напр жению стабилизатора, токам дросселей 21 и 23 первого и второго звеньев фильтра 2, напр жению на конденсаторе 22 первого звена фильтра 2, эталонному напр жению 5 и току датчика 17. Сигналы, пропорциональные токам дросселей 23 и 21 двухзвенного фильтра 2, формируютс  одинаковыми цеп ми, составленными из последовательно соединенных 6,7, инвертирующих интеграторов 8,9 и инвертирующих сумматоров 10,11. Суммирование указанных сигналов стабилизирует частоту переключени  транзисторного ключа 1 и улучшает качество переходных процессов при действии внешних возмущений. 1 ил.

Description

ел

ГС

х

Oi

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано в автономных системах электропитани  радиоэлектронной аппаратуры, устройств автоматики, средств вычислительной техники и других функцио- нальных устройств.

Целью изобретени   вл етс  улучшение качества выходного напр жени  путем повышени  динамической точности при одновременном уменьшении диапазона изменени  частоты переключени .

На чертеже приведена структурна  схема релейного стабилизатора посто нного напр жени .

Релейный стабилизатор посто нного напр жени  содержит транзисторный ключ 1, двухзвенный OLf -фнльтр 2, гистерезисный компаратор 3, суммирук)ш,ий усилитель 4, источник 5 эталонного напр жени , два инвертора 6, 7, два инвертирующих интегратора 8, 9, два инвертирующих сумматора 10, II, четыре разде.мительных конденсатора 12-15, инвертирующий усилитель 16 и датчик 17 тока. Последовательно включенные транзисторный ключ 8 и двухзвенный Z)Z.C- фильтр 2 включены между входным и первым выходным выводом 18. Второй выходной вывод 19 через датчик 17 тока подключен к общей тине. Управл ющий вход транзисторного ключа 1 подключен к выходу гисте- резисно о компаратора 3, используемого в качестве формировател  управл ющих импульсов. Двухзвенный DLC-фнльтр 1 включает в себ  обратный диод 20, первые дроссель 21 и конденсатор 22 и вторые дроссель 23 и конденсатор 24. Вход гистерезис- ного компаратора 3 подключен к выходу суммирующего усилител  4. К входам сум- . ирук)щего усилител  непосредственно подсоединены выходы источника 5 эталонного напр жени , инвертируюншх сумматоров 10, 11, первый выходной вывсд 18 и выход инвертирующего усилител  16, а через разделительный ко |денса ор 14 обща  точка дрос- селей 21 и 23 двухзвенного О/.С-фильтра 2. К первому и второму входам первого инвертирующего с мматора 10 подключены выходы первых инвертирующего интегратора 8 и инвертора 6. К первому и второму входам второго инвертирующего сумматора 11 под- соединены выходь вторых инвертора 7 и инвертирующего интегратора 9. К первому четвертому входам первого инвертирующего интегратора 8 соответственно подключенрм выход первого 14нверт(;ра 6, собственный выход первого инвертирующего интегратора 8, через разделите,1ьный конденсатор 13- второй выходной вывод 19 и вход второго инвертора 7. К первому- четвертому входам второго инвертирующего интегратора соответственно подсоединены выход первого инвертирующего сум.матора 10, выход второго инвертора 7, собственный выход второго инвертирующего интегратора 9 и через разделительный конденсатор 15 - обща  точка

транзисторного ключа 1 с входом двухзвенного DLC-фильтра 2. Вход первого инвертора 6 через разделительный конденсатор 12 подсоединен к первому выходному выводу 18 Вход второго инвертора подключен к общей точке разделительного конденсатора 14 с соответствующим входом суммирующего усилител  4. Вход инвертирующего усилител  16 соединен с третьим входо.м первого инвертируюи1его интегратора 8.

Релейный стабилизатор посто нного напр жени  работает следующи.м образом.

Транзисторный ключ 1 преобразует входное напр жение в последовательность пр моугольных импульсов L l, котора  подаетс  на вход двухзвенного DLC-фильтра 2. Эти импульсы преобразуютс  фильтро.м 2 в cr.ia- женное напр жение б а. При формировании напр жени  Ц транзисторный ключ 1 управл етс  импульсами гистерезисного компара тора 3, на вход которого подаетс  сигнал с выхода суммирующего-усилител  4. Выходной сигнал гистерезисного компаратора 3 У св зан с выходным сигналом суммирующего усилител  4 1/„ следующей зависимостью:

frV, при {,/ „,

I Гч„ при t;,, -Л,

15 „ 25 30 0 б g

5

0

 о

напр жение открывани  транзисторного ключа 1; напр жение запирани  транзисторного ключа 1; 2 - ширина петли гистерезиса гистерезисного компаратора 3. Выходной сигнал L- ., суммирующего усилител  4 определ етс  взвешенной суммой сигналов

Г ,. / +Л |;Т -.Л .,Г Н-Л 41-Ml- -Л-.У,,(2)

где Л | Л .т-- коэффициенты передачи сум .мирующего уси.1ител  4 . л 

соответствуюншх сигналов;

(I - выходной сигнал второго сум матора 1 1;

( I- переменна  составл юща  на- пр жени  конденсатора 22; выходной сигнал первого инвертирующего сумматора 10; Г J В1,1()дное напр жение фи. ИЛ - 1а 2, измер емое на конденсаторе 24; /:i выходной си1 нал инвертир к)щек ) уси,1ите.л  16; 0 вь1ходно сигнал источника 5

-/галоннсго напр жени .

Сигнал П эквива. ;ентеп переменной составл ющей токл ,, д})оссел  21 и ()1редел етс  из уравнени 

3)

,,-/C,r ,+/-С,(. :+Я,-I C .V..VjL,,

где /,i - индуктивность дроссел 

С| емкость конденсатора 22; коэффициент;

Г переменна  составл юща  напр жени  и.

Сигнал л формируетс  на выходе цени, состо щей н; инвертора 7, второго инвертирующего интегратора 9 и второго инвер- тируюн1его сумматора 11 и реа.чизуюнгей решение уравнени  (3). Коэффициент / в уравнении (3) выбираетс  из услови  обеспечени  заданного времени :,t,i устранени  неравенства между сигналом /i и переменной составл ющей тока дроссел  21, обусловленного , во-первых, отличием 7 и переменной составл ющей тока дроссел  21 в начальный момент времени и, во-вторых, возможр|ым несоответствием между значени ми параметров /-1 дроссел  21 и С| конденсатора 22 фильтра 2 и цепи, реализующей решение равнени  (3).

Врем  /,,, определ ющее дли1ельность переходного процесса, находитс  по форинвертирующего интегратора 8 и первого инвертирующего сумматора 10, котора  реализует рещение уравнени  (4). Сигнал f l формируетс  на выходеJ aздeлитeльнoгo конденсатора 14. Сигнал L 2 соответствует вь1ходному напр жению фильтра 2. Сигнал ( :, формируетс  посредством датчика 17 тока, разделительного конденсатора 13, а усилителем 6 формируетс  сигнал - /Т

10

,

(5)

где

двыходное напр жение, формируемое на выходе разделительного конденсатора 13;

коэффициент усилител  инвертирующего усилител  16; -сопротивление датчика 17 тока. Инвертирующий усилитель 16 может иметь зону нечувствительности 26 при наличии помех в выходном напр жении разделительного конденсатора 13 с амплитчдой .44i(S-0,7. Коэффициенты управлени  (2) выбираютс  из следующих соотношений;

д-

При этом в качестве первого приближени  к (,j,,,, необходимо вз ть ,,),,м (и,,, где (о,. - резонансна  частота того из звеньев силового фи.1ьтра 2, который имеет эту частоту выше., или обща  резонансна  частота фильтра 2 при равенстве резонанснь1х частот обоих звеньев фильтра 2 ,,,,, lvy/.C.

В качестве второго приближени  к ц,.;, при условии, что стабилизатор работает с расчетной /,, по нервг)му приближению, необходимо вз ть 1,3,„,,|,|,„ 1.5,.),,. Здесь длительность переходного процесса ;, в релейном стабилизаторе при единичном входном воздействии (скачок тока нагрузки на 1 Л) оцениваетс  по длите.1ьности переходного процесса в некоторой эквивалентной линейной системе с частотой среза „),;iДлительность /i св зана с коэффициентом / выражением

Ml 3)

t

I :

И, следовательно, значение / однозначно определ етс  при выбранной длительности переходного фоцесса на выходе стабилизатора .

(л1гнал Т эквивалентен неременной со- став. 1 ющей тока /j дроссел  23 и опреде- , 1   стен из уравнени 

t .

..-/сл.,. (:,L + Цj /Rш-/ СЛ ..-( ://..:-( - /-,(4)

где L индуктивность дроссе.м  23;

С.. емкость конденсатора 24;

7t - переменна  составл юща  выходного тока / стабилизатора. (Д1гна.1 / фор.мируетс  на выходе цепи, состо щей из первого инвертора 6, нервог о

25

,,С, С,

д.-цт;-- / , Л . -+-1:

(6)

30

К ; Къ

.С 2лС;

0

5

0

Коэффициент / в уравнени х (31 и (4)

. Юл обычно выбираетс  из услови  , что

«л

обеспечивает требуемую скорость вычислени  сигналов 7i, 7. эквивалентных переменным составл ющим токов /;, /...

Введенные элементы позвол ют организовать в релейном стабилизаторе посто нного напр жени , кроме основной цепи отрицательной обратной св зи по выходном напр жению, дополнительные цепи отрицательной обратной св зи, а именно; цепи внутренней отрицательной обратной св зи но пере.менным состав.1 ющим токов второго 23 и нервого 21 дросселей двухзвенного фнльтра 2, которые соответственно формируютс  цеп ми из первых и вторых последовательно включенных инвертора, инвертирующего интегратора и инвертирующего сумматора, цепи внутренней обратной св .и по переменной составл ющей выходного тока устройства, формируемой при помощи датчика 17 тока, разделительного конденсатора 13 и инвертирующего усилител  16, и цепи внутренней обратной св зи по переменной составл ющей напр жени  на конденсаторе 22 первого звена фильтра 2. формируемой разделительным конденсатором 14

Использование цепей дополнительных обратных св зей по координатам состо ний

двухзвениого О/-С-фильтра 2 обеспечивает при взве иенном суммировании их сигналов с указанными коэффициентами желаемый, близкий к апериодическому процесс устранени  отклонений выходного напр жени  устройства при скачкообразных возмущени х , например, при коммутации тока нагрузки при минимальном отклонении частоты коммутации от заданного значени .

Входные цепи внутренних обратных св зей по переменным составл ющим токов первого 21 и второго 23 дросселей фильтра 2 и тока стабилизатора имеют посто нные времени фильтрации посто нных составл ющих сигналов (/, ;, 1, Г .. ; i. где L/:t - сигнал на выходе датчика 17 тока. Величины емкостей разделительных конденсаторов 12 15 и выходных сопротивлений, подключенных к ним инверторов 6 и 7, инвертирующих интеграторов 8 и 9, инвертирующего усилител  16 выбраны так, что посто нные времени фильтрации сигналов Г, Г |, (. j, r l равны. Поэтому процесс фильтрации посто нных составл ющих токов /:, /., /.; не вли ет на сумматорную составл ющую сигнала по току на выходе суммирующего усилител  4, так как сигналы м, Т. -i суммируютс  на входе суммирующего усилител  4 с коэффициентами , сумма которых равна нулю (учитыва  « в канале тока /.О Л)- н1д-„+1 0.

Коэффициенты К,. Ai суммирующего усилител  4 равны (при равенстве эталонного напр жени  источника 5 U,, желаемому выходному напр жению стабилизатора U-) и определ ют статический уровень выходного напр жени  стабилизатора, а их величина в совокупности с остальными коэффициентами суммирующего усилител  4 - характер и длительность переходного процесса на выходе стабилизатора, вызванного из.менением характера или величины нагруз ки, например ее коммутацией.

Переменна  составл юща  напр жени  Г | конденсатора 22 О/,С-фильтра 2 суммируетс  с другими сигналами на суммирующем усилителе 4 с коэффициентом Л|. Посто нна  времени фильтрации посто нной составл ющей напр жени  d не вли ет на процессы в стабилизаторе, поскольку после выхода стабилизатора на статический режим по напр жению напр жение 6 i измен етс  ма. ю, кроме того, посто нна  времени фильтрации Tf выбираетс  близкой к темпу работы стабилизатора в переходный период ( Tf , 1.

Из всех сигналов (6i, ( -, -17-, 7i, ;j, - /0. поступающих на суммирующий усилитель 4, сигнал /Т имеет небольшую переменную составл ющую пилообразного характера . На уровне 7i остальные сигналы составл ют в статическом режиме стабилизатора .менее 10%.

Сигнал 71 суммируетс  в суммирующем усилителе 4 с коэффициентом 1. Частота

переключений гистерезисного компаратора 3 будет совпадать с частотой сигнала ТТ, так как на выходе сум.мирующего усилител  4 сигналы и,, Un сбалансированы по условию 5 и дают в сумме ноль, а из сигналов /Т, /Т, -7, имеет наибольщую амплитуду.

В свою очередь, частота переменного сигнала по току 77 зависит от скорости изменени  /I на периоде, а скорость зависит от

Q индуктивности первого дроссел  21 L. Кроме тог о, частота сигнала 7i зависит от ширины зоны гистерезиса гистерезисного компаратора 3. так как он перек.мючаетс  в моменты достижени  сигналом /Т значений . -. Действительно, контур гистерезисный

5 компаратор 3, транзисторный ключ 1, ток 71 дроссел  21 составл ют генератор пилообразного сигнала 71- Данный генератор аналогичен широко примен емы.м генераторам, состо щим и:( интеграторов и г истерезисных компараторов. При выбранной индуктивности /., дроссел  21 частота колебаний в данном контуре зависит только от ширины зоны гистерезиса 2 гистерезисного компаратора 3. При настройке стабилизатора щи- рина гистерезиса 2 гистерезисного компа5 ратора 3 устанавливаетс  так, чтобы частота переключений транзисторног о ключа 1 была максимально допустимой. Вид и величина нагрузки практически не вли ют на частоту, генерируемую внутренним контуром. Данна  частота  вл етс  частотой автоколебаний данной внутренней нелинейной системы. Этот эффект возникает из-за того, что между нагрузкой и дросселем 21 имеетс  раздел ющий фильтр: дроссель 23, емкости 24, 22, полностью разв зывающий на частоте автоколебаний нагрузку и дроссель 21. Величина нагрузки не вли ет на частоту автоколебаний , так как при посто нном входном напр жении и малом активном сопротивлении дросселей 21 и 23 изменение нагрузки ведет к изменению то,тько посто нной составл ю0 шей тока л и не измен етс  скорость нарастани  тока л на периоде, т. е. не измен етс  форма переменной составл ющей тока /i дроссел  21, котора  опреде.п ет частоту автоколебаний стабилизатора.

Коэффициенть ,, I, с которыми

5 сигналы 1/г, , ( :, ,|, 7j, -7( суммируютс  на суммирующе.м усилителе 4, рассчитанные по формулам (6) обеспечивают устойчивый процесс регулировани  (стабилизации) напр жени  , на выходе 0/.(7-фильтра 2 ста- би. щзатора. При этом независимо от величины и cooтllonJeни  индуктипчостей дросселей 21, 23 и емкостей конденсаторов 24, 22 обеспечиваетс  близкий к апериодическому процесс устранени  во.жикающи.х по тем или иным причинам отклонений выходного

5 напр жени  от стабилизатора. Отклонени  напр жени  стабилизатора возникают при коммутации какой-либо части нагрузки, например активной на -рузки, или при изменении ее величины.

0

5

0

Ко ффнциенты ,-, в интеграторах 8 и 9 и сумматорах 10 и 11 в соответствии с лиффереициа.чьными уравнени ми (3) и (4) равны:

дл  цепи обратной св :и-1 по переменной составл ющей тока дроссе.ч  21 л, образованной последовательно соединенными вторыми инвертором 6, инвертирующим интегратором 9 и инвертируюн1им сумматором II:

.,, .I (:,: :, /;

Л-, /: з (7)

дл  цепи обратной св зи по переменной составл ющей тока дроссел  23 Тг. образованной последовательно соединенными первыми инверторг)м 6, инве)тируюн1им интегратором 8 и инвертирук) сумматором 10:

I L,. + l Ci: K,-.l/Ru:

Л 4 /: Л 5 /Г;...(8)

Коэффипиенте 1 К ,, рассчитанные по (7) и (8|, в данных цеп х обратных св зей обеспечивают непрер1,1вное вычисление переменных составл ющих токов п. /- дрос- се.1ей 21 и 23 /Т. /Те скоростью, более чем в К) раз превышающей процессы в стабилизаторе . При этом вычислители /Т. 77 построены гак, что подстансшка в формулы (7) и (81 неточных (до 10%) значений индуктивнос- тей дросселей 21 и 23 L, 1.2 и емкостс 1 конденсаторов 22 и 24 С и Cj не оказывает в.1и - ни  на достаточно точное вычисление ТТ и 7.

Как уже указывалось, фильтраци  посто нных составл ющих токов i. /j, /i не сказываетс  на суммарном си нале по току на вьгходе суммирующего усилите.1  4, так как си налы л. /j, 77 суммируютс  на суммирующем усилите.ле 4 t коэффициентами, сумма которых у /Т и 7: (l+A i ) равна коэффициенту Л | суммировани  сигнала /.j. {А . щ честь, что посто нные составл ющие эгих токов равны, то при суммировании сиг- па,юв 7. Т-- п на суммирующем усилителе 4 вли ние посто нной времени фильтрации Т па выходе суммирующего си, 1ите, 1  4 взаимно уничгожаетс .

Фи, Ц)Тра ци  посто нной сое га в,1 ющей напр жени  I на конденсаторе 22 гакже не сказываетс  на сумма()Н()м сигна, 1е по напр жению на вьгходе суммирующег о уси- ,1ите.1  4 но ка:(аииьгм |Гричинам.

(л11,ча,| LI можно Н1м|)и/1ьгр()ват1 II цвести с коэф1|)ицие1П()1 Л ; и счммирующий уси, 1и- ге,и 4 (в этом с, д,1  комиенсации по- сг() нно11 состав,1 ю1цей сигна, 1а i необходимо уве, 1ич1пь коэф()1ициент Л ,-, на вели- чинх Л ;, :, е. К-,-- К Л Д Однако, получив те Же динамические процессы в сгабилиза- го|)е, мы ухуд||П,111 бь: с топическую точность сгаГ)И. 1и: атора, : ак как посто нна  состав- .1чюща  падени  напр жени  на д()()сселе 23 (зависит от тока нагрузки и акг1 впо:о )отив, 1е|1 и  дргхччм  23) в,1и ,1а 6i,i па ре- гу,-|црование с raTH iecKoro уровн  иыходиого напр жени  ( v стаби.ипатора.

(д1гна,1Ы /, /., / , ( . /I Г: можно тоже не фи.1ьтровагь и внодип) в вычис.-щте.ш

0

5

0

5

0

Б

0

и далее в суммирующий усилитель 4 с посто нными составл ющими. При этом в вычислител х токов л. i-2 потребовались бы операционные усилители с большим динамическим диапазоном выходных напр жений (более четырех номинальных значений выходного напр жени  стабилизатора).

Таким образом, фильтраци  посто нных составл ющих соответствующих сигналов л, /L , /1, И. l, f 2, используемых дл  вычислени  переменных составл ющих токов к , 77, -7j, выполнена с целью максимально использовать динамический диапазон опера- Циониых усилителе, на которых выполнены пнверторы 6 и 7, инвертирующие интеграторы 8 и 9 и инвертирующие сумматоры 10 и 11. Фи,1ьтраци  сигнала ( i (напр жение на конденсаторе 22| проведена с целью повышени  статической точности стабили- :и)тора.

Г1рименив фильтрацию посто нной составл ющей сигналов /I, /:., л, i . L . участвующих в по. пчении сигна,1а управ,1ени  стабилизатором на выходе суммирующего уси,1ите,1Я 4, мы по.ичили эффект использовани  полных сигналов л, ,, ,,. Г, i дл  сигнала на выходе усилител  4.

Таким образом, до11олните,тьные э,темен- ты: инверторы 6 п 7. инвертирующие интеграторы 8 и 9, инвертирующие сумматоры 10 и 11, раз.челительные конденсаторы 12-15 и инвертирующи11 усилитель, образующие донолнительные обратные св зи по переменным состав,| н)щим токов дроссе.тей 21 и 23, по неременной составл юп ей напр жени  на конденсаторе 22 и по переменной составл ющей выходного тока стабилизатора 7Т, ||оии).1Я10т при на,Н1чни необходимых коэффициентов (5) на суммирующем уси.ттеле 4 по.пчить требуемый вид переходного процесса плавный, близкий к апериодическому (с пезначите,1ьным перерегулированием); требуемую д, 1ительность переходного процесса /, но выходно.му напр жению стаби- ,1нзатора и (напр жение на конденсаторе 24) при коммутаци х вс( видов нагрузки (в том числе при коммутации чисто резис- гивн(1Й нагрузки): требуемую преде, 1ьно вЬ Сокук) частотх переключений транзисторного к,|юча 1: с.) зависимость частоты 11е|1еключений к,1юча i от величины и вида иаг П зки. т. е. малый диапазон ее изменени .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Ре,кЧ1ный стабилизатор носто нно|() напр жени , содержащий транзисторный к, 1юч., включенный между входным выводом и вхо- лпм дв хзвенног( )/.С-фи,1ьтра. выходом соединенного с первым выходны.м выводом и ,)бщей тиной, суммирующий усилите.1ь. первым входом соединенный с источником эталонного напр жени , вторым входом подключенный к первому выходному вывс.. -.

   11

   152У196

   и выходом подсоединенный к формирователю управл ющих импульсов, выход которого соединен с управл ющим входом транзисторного ключа, и второй выходной вывод, отличающийс  тем, что, с целью улучшени  качества выходного напр жени  путем по- выщени  динамической точности при одновременном уменьщении диапазона изменени  частоты переключени , в него введены датчик тока, четыре разделительных конденсатора , два инвертора, инвертирующий усилитель, два инвертирующих интегратора и два инвертирующих сумматора, а суммирующий усилитель дополнительно снабжен четырьм  входами, причем первый выходной вывод через последовательно соединенные первый разделительный конденсатор и первый инвертор подключен к первому входу первого инвертирующего интегратора, выход которого соединен с первым входом первого инвертирующего сумматора и вторым входом первого инвертирующего интегратора, выход первого инвертирующего сумматора соединен с третьим входом суммирующего усилител  и первым входом второго инвертирующего интегратора, второй выходной

   0

   5

   0

   12

   вывод через датчик тока подключен к общей щине и через второй разделительный конденсатор - к третьему входу первого инвертирующего интегратора и входу инвертирующего усилител , выход которого подсоединен к четвертому входу суммирующего усилител , обща  точка дросселей двухзвен- ного DLC-фильтра через третий разделительный конденсатор подсоединена к п тому входу суммирующего усилител , четвертому входу первого инвертирующего интегратора и входу второго инвертора, выход которого подключен к первому входу вторюго инвертирующего сумматора и второму входу второго инвертирующего интегратора, выход второго инвертирующего сумматора соединен с щестым входом суммирующего усилител , третий вход второго инвертирующего интегратора соединен с собственным выходом и вторым входом второго инвертирую- Qiero сумматора, а четвертый вход через четвертый разделительный конденсатор подсоединен к общей точке О/.С-фильтра с транзисторным ключом, второй вход первого инвертирующего сумматора соединен с выходом первого инвертора.