SU851687A1 - Стабилизированна система электропитани НА бАзЕ пьЕзОТРАНСфОРМАТОРА - Google Patents

Description

(54) СТАБИЛИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА БАЗЕ ПЬЕЗОТРАНСФОРМАТОРА

I

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано, например, дл  вторичных источников устройства судовой, бортовой радиоэлектронной аппаратуры.

Известны преобразователи и стабилизаторы напр жени  на базе пьезотрансформаторов с использованием амплитудного, частотного и фазового способов изменени  характеристик пьезотрансформатора. Эти устройства содержат пьезоэлектрический трансформатор (ПЭТ), усилитель мощности; генератор (автогенератор) и блок управлени  с цепью обратной св зи 1, f2 и 3.

К недостаткам указанных устройств относ тс  ограниченные динамические диапазоны регулировани  параметров пьезотрансформатора , ограниченные диапазоны стабилизации напр жени  на выходе, которые завис т от процентного изменени  напр жени  и тока нагрузки, а также ограниченна  точность стабилизации напр жени .

Наиболее близка к предлагаемой стабилизированна  система электропитани  на базе пьезотрансформатора, содержаща  усилитель мощности, выходом соединенный со входом пьезоэлектрического трансформатора , выход которого через выпр митель с фильтром соединен с выводом дл  подключени  нагрузки, и блок управлени  усилителем мощности, состо щий из частотного канала на регул торе, выходом соединенном со входом управл емого задающего генератора , выход которого через ключевые элементы подключен к управл ющим входам усилител  мощности 4.

Недостатки известного устройства - возIQ можность срыва режима стабилизации при работе устройства в щироком диапазоне изменени  температуры окружающей среды; не полное использование энергетических возможностей ПЭТ даже при применении в качестве задающего генератора высокоста15 бильного генератора пр моугольных импульсов с мостовыми врем задающими цеп ми; невозможность получени  стабилизированного отрицательного выходного напр жени  (отсутствие универсальности по знаку стабилизированного выходного напр жени ).

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей, повышение стабильности и КПД системы электропитани . 3 8516 Поставленна  цель достигаетс  тем, что в стабилизированную систему электролитани  на базе пьезотрансформатора введены фазовый канал и узел формировани  опорного сигнала и сигнала основной обратной св зи, состо щий из генератора тока, последовательно соединенного с источником опорного напр жени  на первом стабилитроне и. со вторым стабилитроном, потенциометра, подключенного параллельно первому стабилитрону, а выходом подключенного к одному из вхо-,о дов регул тора блока управлени  усилителем мощности, другой вход которого соединен с выходом вновь введенного резисторного делител  напр жени , включенного между точкой соединени  стабилитронов узла формировани  и выводом дл  подключе- ни  нагрузки, причем фазовый канал выполнен на двух формировател х импульсов, . выходы которых подключены ко входам логической схемы совпадений, фильтре нижних частот и компараторе с разделительным о диодом на его выходе, при этом вход одного формировател  импульсов через вновь введенную интегрирующую фазосдвигающую цепь соединен со входом пьезоэлектрического трансформатора, а вход другого формировател  импульсов через вновь введенные25 диодный ограничитель и емкостный штырь, расположенный в непосредственной близости от выходного электрода пьезоэлектрического трансформатора соединен с управл ющим входом управл емого задающего генератора . На.фиг. 1 приведена функционально-прин ципиальна  схема системы электропитани , вырабатывающей высокое положительное напр жение; на фиг. 2 - фрагмент схемы системы, вырабатывающей высокое отрица-35 тельное напр жение; на фиг. 3 -временные диаграммы, по сн ющие принцип действи  элемента схемы совпадений в динами - Сисистема электропитани  (фиг. I) содержит усилитель 1 мощности (УМ), на-40 груженный на вход ПЭТ 2. Последний через выпр митель с фильтром 3 соединен с нагрузкой 4. Усилитель 1 мощности  вл етс  двупол рным, модулированным по частоит из регул тора 7, соединенного одним своим входом с нижним плечом высокоомного делител , составленного из резисторов 8 и 9, другим входом -с выходом узла формировани  опорного сигнала и сигнала основной обратной св зи, а выходом через резистор 11 с управл ющим входом управл емого задающего генератора (УЗГ) 12. Выход УЗГ 12, через ключевые элементы- формирователи 13 и 14 ступенек соединен со55 входом УМ 1. Регул тор сравнивает текущее значение выходного напр жени  стабилизатора с задающим значением Uj, преоб874 разует полученный сигнал рассогласовани  в соответствии, например, с пропорционально-интегрально-дифференциальным законом ( ПИД) регулировани , и своим выходным напр жением в виде сигнала управлени  устанавливает частоту генерации УЗГ 12. Пр моугольные импульсы типа меандр с выхода УЗГ 12 поступают на формирова ли 13 и 14 ступенек. Формирователь 13 повтор ет выходное напр жение УЗГ 12, осуществл   задержку по отрицательному фронту его выходного напр жени  на врем , необходимое дл  рассасывани  зар дов неосновных носителей в базах мощных транзисторов УМЛ. Формирователь 14 инвертиpyg выходное напр жение УЗГ 12, осуществ задержку по положительному фронту gj-o выходного напр жени  на ту же величи„у g результате УЗГ 12 и формирователи 13 „ 14 образуют две последовательности отрицательных импульсов с периодом рабо частоты, сдвинутых друг относительно друга на половину периода и меньших ее „д величину, равную времени задержки формирователей 13 и 14. Фазовый канал 6 из логической схемы 15 совпадений, соединенной одним своим входом через формирователь 16 и интегрирующую цепочку из резистора 17 и конденсатора 18 со входом пЭТ 2, а другим входом через формирова - ь 19 с диодным ограничителем на диодах 20 и 21 и емкостным штырем 22, расположен„ым в непосредственной близости от выход ой секции ПЭТ 2. С целью упрощени  схемы фазового канала, а также уменьшени  мощности потреблени  схемой управлени  логическа  схема 15 выполнена на одной  чейке микросхемы с КМДП--структурой, реализующей по двум в.ходам логическую функцию «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (напримерсерии 564-564ЛП2). С этой же целью на элементах с КМДП-структурой реализуютс  „ другие функциональные узлы схемы: УЗГ 12, формирователи 13 и 14 ступенек, формирователи 16 и 19. Выход элемента 15 фильтр нижних частот, составленный „ резистора 23 и конденсатора 24 соединен с неинвертирующим входом компаратора 25. Инвертирующий вход компаратора 25 корректирующей емкостью 26 соединен с ществл етс  регулировка порога срабатывани  компаратора 25. Входное переменное напр жение ПЭТ 2 проход  через интегрирующую цепочку на резисторе 17 и конденсаторе 18, сдвигаетс  по фазе на угол, близкий к 90°, и поступает на формирователь 16 Выходное напр жение ПЭТ 2, проход  через небольшую емкость, образованную выходной секцией ПЭТ и емкостным штырем 22 поступает на защитный ограничитель на диодах 20 и 21 и на формирователь 19 Формирователи 16 и 19 собраны по одинаковой схеме и формируют пр моугольные импульсы типа меандр, необходимые дл  нормальной работы элемента 15. Таким образом на выходы элемента 15 поступают выходное и сдвинутое на 90° входное переменные напр жени  ПЭТ 2.

Принцип действи  элемента 15 по сн етс  фиг. 2, где пунктиром обозначено напр жение , снимаемое с фильтра нижних частот (на резисторе 23 и емкости 24). Это напр жение увеличиваетс  от значени  логического «О до значени  логической «1 при изменении угла сдвига фаз между входными пр моугольными импульсами на входе элемента 15 от 0° до 180°, принима  среднее значение при сдвиге фаз, равном 90°, т.е. при сдвиге фаз равном нулю между входным и выходным переменными напр жени ми ПЭТ 2, что соответствует частоте резонанса .

Узел 10 формировани  опорного сигнала и сигнала основной обратной св зи состоит из генератора тока на полевом транзисторе 29 с резистором 30, соединенным последовательно с опорным стабилитроном 31 и стабилитроном 32. Параллельно опорному стабилитрону 31 подключен потенциометр 33.

Предлагаема  система позвол ет получать на выходе как положительное, так и отрицательное высокие напр жени . Дл  этого если необходимо получить высокое положительное напр жение, нижний по схеме вывод резистора 9 высокоомного делител  подключаетс  к нижнему по схеме выводу потенциометра 33, а в качестве выпр мител  используетс  выпр митель положительного напр жени  (фиг. 1), если же необходимо получить высокое отрицательное напр жение , то нижний по схеме вывод резистора 9 подключаетс  к верхнему по схеме выводу потенциометра 33, а в качестве выпр мител  используетс  выпр митель отрицательного напр жени  (фиг. 2). Эти переключени  производ тс  совместно с переключением входов регул тора, дл  исключени  смены знака основной обратной св зи.

Узел формировани  опорного сигнала и сигнала основной обратной св зи применим только дл  высоковольтных устройств (стабилизаторов ), так как вместо обычного напр жени  рассогласовани  на входе регул тора Up Uon - в схеме (фиг. 1) имеем

(U6b,)/K

где К - коэффициент делени  высокоомного делител  (К 500- 1000); и-напр жение стабилизации стабилитрона 32.

Учитыва , что Uei, нестабильность напр жени  U до величины практически не оказывает вли ни  на нecfaбильность выходного напр жени . Дл  низковольт ных источников , а К 1 - 10, поэтому вли ние нестабильности дл  них значительно возрастает.

Кроме того, так как в качестве регул тора обычно используетс  операционный усилитель, значительно ослабл ющий (практически на 60-80 дБ) синфазную составл ющую входного сигнала, нестабильность нап.р жени  и, от которого отсчитываетс  Ua и UQC , практически не оказывает вли ни  на формирование управл ющего сигнала Uy. Таким образом, в предлагаемой системе удаетс  реализовать при однопол рном источнике питани  без каких-либо существенных отличий в схеме как стабилизацию высокого положительного так и стабилизацию высокого отрицательного напр жений.

5 Система работает следующим образом. В исходном состо нии рабоча  точка находитс  на правом склоне амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ПЭТ. Поэтому сдвиг фаз между входным и выходным напр жени ми отличен от нул  и положителен. Отфильтрованное выходное напр жение с элемента 15 на емкости 24 меньще заданного потенциометра 27 напр жени  компарации . Выходное напр жение компаратора минимально. Так как Уф Uy то

5 диод 28 закрыт, а фазовый канал 6 отключен от управл ющего входа УЗГ 12. При действии слабых внещних возмущений, привод щих к мгновенному изменению выходного напр жени  по отнощению к заданному значению, на выходе регул тора 7 формируетс  сигнал управлени .Оу в соответствии с возникщим сигналом ощибки на входе регул тора (U з-U,;). Под действием сигнала управлени  измен етс  частота генерации УЗГ 12. Рабоча  точка на АЧХ ПЭТ смещаетс  в сторону компенсации возникшего отклонени  выходного напр жени  от заданного значени . Например, если выходное напр жение увеличиваетс , то и напр жение Uy на выходе регул тора 7 дл  обеих схем (фиг. 1 и 2) увеличиваетс . При этом часQ тота УЗГ 12 также увеличиваетс . Рабоча  точка смещаетс  по АЧХ- ПЭТ в сторону увеличени  частоты до тех пор, пока Ue,,, не становитс  равным заданному значению. В случае, если выходное напр жение уменьшаетс , работа схемы осуществл етс  о0рат5 ным образом.

При действии сильных внещних возмущений (температурных нагрузочных и др.), когда рабоча  точка, смеща сь влево по частотной оси, доходит до точки резонанса ПЭТ возможен срыв в работе устройства из-за

Claims (4)

1. смены знака обратной св зи в контуре стабилизации . Однако этого не происходит, так как при прохождении точки резонанса ПЭТ, сдвиг фаз между входным и выходным переменными напр жени ми мен ет знак, выходное отфильтрованное напр жение элемента 15 становитс  больше заданного потенциометром 27 напр жени , и выходное напр жение компаратора 25 становитс  максимальным . Так как выбрано , то диод 28 открываетс , а вследствие того, что динамическое сопротивление открытого диода 28 значительно меньше сопротивлени  резистора 11, управл ющим напр жением дл  УЗГ 12 становитс  напр жение Уф, т.е. частотный канал отключаетс , а вместо него включаетс  фазовый канал 6. Поэтому рабоча  точка системы вплоть до окончани  действи  внешнего возмуш,ени  находитс  вблизи точки резонанса ПЭТ 2 и срыва стабилизации не происходит. По окончании действи  сильного внешнего возмущени  фазовый канал вновь отключаетс , включаетс  частотный канал и стабилизаци  осуществл етс  аналогично. При этом применение интегральных микросхем с КМДП-структурой в к-ачестве логической схемы совпадений и других функциональных узлов позволило максимально упростить схему блока управлени  и увеличить общий КПД схемы, а специфическое построение узла формировани  опорного сигнала и сигнала основной обратной св зи позвол ет реализовать при минимальных переключени х универсальную систему, способную вырабатывать как высокое отрицательное , так и высокое положительное стабилизированные напр жени  при использовании однопол рного источника питающего напр жени . Предлагаема  система обеспечивает по сравнению с известными малую нестабильность выходного напр жени  от изменени  питающего напр жени  и от изменени  тока нагрузки ( -0.5%), малую нестабильность выходного напр жени  в широком диапазоне изменени  температуры окружающей среды - 60 t + 60°С (61-4ых 4;+0,5/о), нечувствительность к коротким замыкани м по выходу; малый ток потреблени  блоком управлени  (3-4 мА без учета источника опорного напр жени ), достаточно высокую помехоустойчивость схемы , а также высокую надежность работы схемы . Формула изобретени  Стабилизированна  система электропитани  на базе пьезотрансформатора, содержаща  усилитель мощности, выходо.м соединенный со входом пьезоэлектрического трансформатора , выход которого через выпр митель с фильтром соединен с выводом дл  подключени  нагрузки, и блок управлени  усилителем мощности, состо щий из частотного канала на регул торе, выходом соединенном со входом управл емого задающего генератора, выход которого через ключевые элементы подключен к управл ющим входам усилител  мощности, отличающа с  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей, повышени  стабильности и КПД в нее введены фазовый канал и узел формировани  опорного сигнала и сигнала основной обратной св зи, состо щий из генератора тока, последовательно соединенного с источником опорного напр жени  на первом стабилитроне и со вторым стабилитроном, потенциометра, подключенного параллельно первому стабилитрону, а выходом подключенного к одному из входов регул тора блока управлени  усилителем мощности, другой вход которого соединен с выходом вновь введенного резисторного делител  напр жени , включенного между точкой соединени  стабилитрона, узла формировани  и выводом дл  подключени  нагрузки, причем фазовый канал выполнен на двух формировател х импульсов, выходы которых подключены ко входам логической схемы совпадений, фильтре нижних частот и компараторе с разделительным диодом на его выходе, при этом вход одного формировател  импульсов через вновь введенную интегрирующую фазосдвигающую цепь соединен со входом пьезоэлектрического трансформатора , а вход другого формировател  импульсов через вновь введенные диодный ограничитель и емкостный штырь, расположенный в непосредственной близости от выходного электрода пьезоэлектрического трансформатора , соединен с управл ющим входом управл емого задающего генератора. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Плужников В. М., Семенов В. С. Пьезокерамические твердые схемы. М., «Энерги « , 1971, с. 69-94, 110-122.
2. 2.Лавриненко В. В. Пьезоэлектрические трансформаторы. М., «Энерги , 1975, с. 80-95.
3. 3.Карташов И. А., Марченко Н. Б. Пьезоэлектрические трансформаторы тока. Киев «Техника, 1978, с. 140-163.
4. 4.Авторское свидетельство СССР по за вке № 2616042, кл. Н 01 L 41/10, Н 03 Н 9/22 1978.