SU935899A1 - Стабилизатор переменного напр жени - Google Patents

Description

(54) СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1

Изобретение относитс  к электротехнике , в частности к устройствам имлупьс ной стабилизации переменного напр жени , и может найти применение там,где необходимо стабилизировать не только срюднее, э(})фективное или амплитудное значени  переменного напр жени  но и поддерживать заданную форму выходного напр жени  при измен ющейс  величине в форме входного напр жени , а также там, где необходимо стабилизировать мгновенное значение переменного напр - жени  тобой произвольной формы (треугольной , трапециедапьной и т. д.).

Известен импульсный стабилизатор переменного напр жени , позвол ющий стабилизировать мгновенное значение переменного напр жени , содержащий ключевой регулирующий элемент, входной и выходной фильтры, схему сравнени , источник эталонного синусоидального напр жени , синхронизированного с напр жением сети 1 .

Однако он имеет низкую точность стабилизации переменного напр жени , обусловленную непосто нством коэффициента передачи ключевого регулирующего эпе-. мента, а значит и всей разсшкнутой системы стабилизации, и ограниченные функциональные возможности.

Наиболее б;газким техническим решением к изобретению  вл етс  стабилизатор переменного напр жени , содержащий первый фильтр, входом подключенный к входной клемме, а выходом - к силово-му входу ключевого регулирующего органа , выход которого через второй фильтр подключен к выходной клемме, блок сравнени  - выходом соединенный с управл ющим входом ключевого регулирующего органа, а одним из входов - с блоком опорного напр жени , причем к другому входу блока сравнени  подключен выход блока обратной св зи, включающий узел выделени  среднего значени  напр жени , при этом вход блока обратной св зи подключен к выходной клемме, блок управ3 .93 пени  и синхронизации, состо щий из умножйтеп  частоты сети, по крайней мере , с одним выходом, соединенным с управ гшюшим Входом уз па выделени  среднего значени  напр жени  и распределите п  импупьсов также, по крайней мере, с одним выходом 2. Однако известный стабипизатор переменного напр жени  имеет низкую ность из-за непосто нства коэффициента передачи ключевого регулирующего органа и ограниченные функциональные возможности из-оа невозможности реализаци режима регулировани  по возмущению. Ес ли ключевой регулирующий орган работает с частотой, вМ раз превыщающей час тоту сети, то его коэффициент передачи . по среднему значению напр жени  за полупериод повыщенной частоты равен ( liHJjT РО IN где - коэффициент (статический) передачи ключевого регули{эующе го органа на i -том врюменном интервале; К 00- некоторый посто нный коэффициент; i - номер интервала, отсчитываемый от нул  напр жени  сети i 1, 2, ...N. N - количество полупериодов повыщенной частоты на попупериоде напр жени  сети. По тому же закону измен етс  и коэффициент передачи разомкнутой системы стабилизации, поскольку он равен произ ведению коэффициентов передачи всех узлов , в том числе и ключевого регулирую щего органа (остальные коэффициенты пе редачи посто нны). Значени  остальных коэффициентов передачи дл  простоты при мем равными единице. Точность стабилизации замкнутой системы регулировани  определ етс  через коэффициент передачи разомкнутой системы следующим образом: ТГк;: Cii-)Ji KpO Sin где дХ - ощибка замкнутой системы стабилизации; дХр - ошибка разомкнутой системы стабилизации. Из последнего выражени  видно, что при больших N на интервалах с номером i, много меньщим N, значениесинуса стре митс  к нугао, а ощибка замкнутой систе 9 МЫ стремитс  к ощибке разомкнутой, что и определ ет ее низкую точность. При реализации режима регулировани  по возмущению (дл  чего необходимо вход блока обратной св зи соединить со входными клеммами) сигнал ощибки становитс  ступенчато-синусоидальным, что приводит к низкочастотным искажени м выходного напр жени , что и определ ет ограниченные функциональные возможности. Цель изобретени  - повышение точности стабилизации и расщирение функциональных возможностей. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известном стабилизаторе переменного напр жени , содержащем первый фильтр, входом подключенный к входной клемме, а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого через вторюй фильтр подключен к входной клемме, узел сравнени  выходом соединенный с управл ющим входом ключевого регулирующего органа, а одним из входов - х; блоком опорного напр жени , причем к другому ъкоку блока сравнени  подключен выход блока обратной св зи, включающий в себ  узел выде.лени  среднего значени  напр жени , при этом вход блока обратной св зи подключен к выходной клемме, блок управлени  и синхронизации, состо щий из умножител  сети, по крайней мере, с одним выходом , соединенным с управл ющим входом узла выделени  среднего значени  напр жени  и распределител  импульсов также, по крайней мере, с одним выходом , блок обратной св зи снабжен узлом дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени  с, по крюйней мере, одним управл ющим входом, и включенным последовательно в цепь узла выделени  среднего значени  напр жени , причем его управл ющий вход подключен к выходу распределител  импульсов, при этом блок опорного напр жени  выполнен в виде источника посто нного напр жени . А также тем, что узел дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени , выполнен в виде операционного усилител , охваченного отрицательной обратной св зью , на вход которого включено N параллельно соединенных цепочек, кажда  из которых состоит из последовательно соединенных ключа и резистора, причем управл ющий вход упом нутого ключа подключей к соответствующему управп юшему входу данного уз па, а ве пи чины резисторов , включенных поспедоватепьно с ключами, выбраны из ооотношени  Cli--i)J7 IN где R- резистор , соединенный последовательно с i -тым ключом, управл ющий вход которого соеди нен с 1 -тым выходом распределител  им1:1ульсов; 1, 2, 3, ... N номер ключа; М - коэффициент умножени  частоты R - резистор, соединенный последовательно с первым ключом. И тем, что узел дискретного изменен величины коэффициента передачи обратно пропорционаг; но мгновенному значению стабилизируемого напр жени , выполнен в виде операционного усилител , охвачен ного цепью обратной св зи, на вход кото рого включен резистор, а цеПь отрицатеп ной обратной св зи выпопнена из N параллельно соединенных цепочек, по крайней мере одной цепочкой, кажда  из которых состоит из поспедовательно соединенных ключа и резистора, причем, управл ющий вход упом нутого ключа подключен к соответствующему управл ющему входу данного узла, а величины резис торов- , включенных последовательно с кл чами, выбраны по соотношению i,Q.i-1№ IN Кроме того,узел дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени  выполнен в виде операционного усилител , охваченного отрицательной обратной св зью , на вход которого включены N после довательно соединенных цепочек, кажда  из KOTOpbix выполнена в виде резистора, зашунтированного ключом, управл ющий вход которого подключен к соответствующему управл ющему входу данного узла а величина указанного резистора выбрана из соотнощени : ( li--t)jr 1Ы а также узел дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени  выполнен в виде операционного усилител , охваченного цепью обратной св зи, на вход которого включен резистор, а цепь отрицательной обратной св зи выпопнена из N последовательно соединенных цепочек, кажда  из которых состоит из параллельно соединенных резистора и ключа, управл ющий вход которого подключен к соответствующему управл ющему входу данного .узла, а величина резисторов, включенных параллельно с ключами, выбраны из соотношени : ( 4i-i)jr IN Ha фиг. 1 приведена функциональна  схема предлагаемого стабилизатора; на фиг. 2-5 приведены примеры выполнени  узла дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени ; на фиг. 6 - временные диаграммы работы предлагаемого стабилизатора переменного напр жени . Устройство состоит из входного 1 и выходного 2 фильтров, между которыми включен ключевой регулирующий орган 3. блока обратной св зи 4, который включает в себ  поспедоватепьно включенные узеП выделени  среднего значени  напр жени  5 и узел дискретного изменени  коэффициента обратно пропорционально мгновенному значению переменного напр жени  6. Выход блока обратной св зи соединен с одним из входов блока сравнени  7, другой вход которой соединен с источником опорного напр жени  8. Блок управлени  и синхронизации 9 входом соединен с входной клеммой стабилизатора и состоит из умножител  частоты 1О, выходом соединенного с узлом выделени  среднего значени  напр жени  и распределител  иМпульсов 11 с N выхо-; дами, соединенными с управл ющими входами узла дискретного изменени  величины коэффициента передачи, обратно пропорционально мгновенному значению стабипизируемого напр жени . На фиг. 2 представлен узел дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционагтьно мгновенному значению стабилизируемого на- i пр жени  6, который состоит из операци795 онного усипйтеп  12, в цепи отрииатепьной обратной св зи которого вкгпочен резистор 13, а входна  цепь образована цепочками из резисторюв 14-1, 14-2 I.,.-. 14-1 ... 14- Nii кпючей 15-1, 15-2. ... 15-1 15-N, соединенных соответственно поспедоватепьно, а между собой параппепьно, причем обща  точка кпючей образует вход узла. Управл ющие цепи ключей образуют управл ющие входы узла дискретного изменени  величины ко- эффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени  6. На фиг. 3 показан вариант узла дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгно венному значению стабилизируемого напр жени , когда резистор 13 включен во входную цепь операционного усилител  12, а цепь отрицательной обратной св зи образована цепочками, состо щими из последовательно включенных резистора и ключа, сами цепочки включены параллельно , На фиг. 4 и 5 показан вариант, когда ключ и резистор включены паралпельно , а параллельные цепочки включены последовательно , причем на фиг. 4 последовательна  цепочка включена во входную цепь операционного усилител  12, а на фиг. 5 - в цепь его отрицательной обратной св зи. На фиг. 6 изображены временные диаграммы работы предлагаемого стабилизатора переменного напр жени : выходное напр жение 16 стабилизатора, напр жение 17 с выхода умножител  частоты 11 напр жение 18, 19, подаваемое соответственно на первый и второй канал уз- ла выделени  среднего значени  напр жеНИН , напр жение 2О, 21 на выходе соответственно первого и второго канала узла выделени  среднего значени  напр жени , напр жение 22 на выходе узла выделени  среднего значени , диаграмма дискретного изменени  величины коэффициента передачи 23, напр жение 24 на выходе узла дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционаньно мгновенному значению стабилизируемого напр жени . Принцип работы стабилизатора переменного напр жени  состоит в следующем Частота работы ключевого регулирующего органа 3 выбираев   намного выще частоть сети. При этом на входе фильтра 2 формируютс  пр моугошзные импульсы напр жени , ог-ибаюита  которых представ- 98 п ет собой синусоиду, частота которой равна частоте сети. Фильтр 2 выдел ет основную гарлионику напр жени  сети. Регулиру  скважность импульсов регулируюшего органа 3, можно регулировать .величину выходного стабилизируемого напр жени  16. Выходное напр жение 16 подаетс  на узел вьщелени  среднего значени  переменного напр жени  5, который построен по принципу интегрировани  напр жени  с частотой умножител  частоты Ю, двум  каналами интеграторов с последующим суммированием напр жени  обоих каналов. Каждый из интеграторов снабжен разр дным ключом, возвращак шим интегратор в исходное нулевое состо ние . Причем разр дные ключи интеграторов управл ютс  умножителем частоты 1О в противофазе, как показано на диаграмме 18 и 19. При этом интегратор первого канала выдел ет среднее значение на нечетных полупериодах напр жени  умножитеп  частоты 10 (номера полупериодов i 1, 3, 5, 7 ...),а интегратор второго канала - на четных полупериодах (, 4, 6, 8 ...). Как видно из диагралЫ 19, 21, цикл работы каждого из интеграторов состоит из интервала интегрировани  (нарастание напр жени ), интервала пам ти (на этих интервалах напр жение интеграторов остаетс  посто нным) и быстрого разр да интегратора перед следующим интервалом интегрировани . Далее интервалы пам ти вьщел ютс  из обоих каналов и на выходе узла выделени  среднего зна чени  напр жени  5 имеетс  напр жение 22, которое поступает на вход узла дискретного изменени  величины коэффициента перюдачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени  6, величина коэффициента передачи которого дискретно измен етс  согласно диаграмме 23. Величина коэффициента передачи узла 6 измен етс  за счет того, что на каждом интервале i 1, 2, 3. ... N с помощью распределител  импульсов 11 подк ючаетс  резистор с номером, соответствующим номеру интервала. Поскольку резисторы 14-1 ... 14-N выбра 1Ы из соотношени  ( Ii-)J «Гто коэффициент передачи операционного усипитеп  12 измен етс  соответственн - -ЛЬ) 111-)37 IN Если напр жение на выходе стабипиэатс ра синусоидально по форме и амплитуде соответствует заданному значению, то на выходе узла 6 будет посто нное напр жение , соответствующее напр жению источника опорного напр жени  8, и клю чевой регулирующий орган 3 будет работать с заданной скважностью. Поскольку величина коэффициента пе редачи ключевого регулирующего органа 3, как показано выще, измен етс  по со отношению (1), а коэффициент передачи узла дискретного изменени  величины ко эффициента ПJ peдaчи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени  измен етс  по соотношению (6), то коэффициент передачи разомкнутой системы регулировани  равен их произведению (дл  простоты коэф фициенты передачи остальных элементов прин ты равными единице) г. R. Sin ( 1i-t)J/ aN ( iN Из выражени  (7) видно, что теперь ко-4 эффициент передачи разомкнутой системы регулировани  посто нен, т.е. не зависит от номера интервала { 1, 2, 3, ... i , ...N. Значит и точность стабилизации зам кнутой системы регулировани , определ ема  выражением (2), посто нна и может быть сделана как угодно высокой с помощью увеличени  коэффициента пере даЧи К ро. Дл  примера на фиг. 6 показано пунктиром: если стабилизируемое напр жение 16 отклон етс  от заданного, то это при водит к изменению напр жени  24. Откло нение напр жени  24 от заданного значени  выдел етс  блоком сравнени  7 и воздействует на ключевой регулирующий орган 3, измен   его скважность импульсов так, что стабилизируемое напр жение 16 возвращаетс  к исходному состо нию. На фиг. 6 В5щно, что предлагаемый стабипизато . переменного напр жени  имеет запаздывание, равное полупериоду выходного умножител  частоты 10. Так, напр жение 16 изменилось на четвертом интервале i 4, а сигнал ошибки по витс  на п том. Впрочем это запаздывание может быть сдепано как угодно малым путем увеличени  коэффициента умножени  частоты J. Работа других вариантов выполнени  узла 6 дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени , аналогична и особых по снений не требует. Таким образом, предлагаемый стабилизатор переменного напр жени  позвол ет повысить точность стабилизации за счет того, что статический коэффициент передачи разомкнутой системы становитс  посто нным и не зависит от фазы стабилизируемого напр жени , что достигаетс  за счет встречного изменени  коэффициента передачи узла 6 дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени . Возможность подключени  блока обратной св зи на вход стабилизатора позвол ет реализовать режим регулировани  по возмущению , что свидетельствует о расширении функциональных возможностей предлагаемого стабилизатора переменного напр жени . Указанный стабилизатор переменного напр жени  может быть применен дл  стабилизации переменного напр жени  произвольной формы. Дл  этого нео&ходимо лищь выбрать величины резисторов по соответствующему закону - обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени . ормула изобретени  1. Стабилизатор переменного напр жет и , содержащий первый фильтр, входом одключенный к вькодной клемме, а выодом - к силовому входу ключевого реулирующего органа, М.1ХОД которого чеез второй фильтр-подключен к выходной лемме, блок сравнени  выходом соедиенный с управл ющим входом ключевоо регулирующего органа, а одним из вхоов - с блоком опорного напр жени , прием к другому входу блока сравнени  одключен выход блока обратной св зи, ключающий узел выделени  среднего знаени  напр жени , при этом вход блока братной св зи подключен к выходной лемме, блок управлени  и синхронизации. состо щий из умножител  частоты сети, ло крайней мере - с одним выходом, соединенным с управл ющим входом узла вы делени  среднего значени  напр жени  и распределител  импульсов также, по край- ней мере, с одним выходом, отличающийс  тем, что, с целью повьпдени  точности стабилизации и расширени  функциональных возможностей, блок обР1ТНОЙ св зи снабжен узлом дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени , с по крайней мере, одним управл ющим . входом, и включенным последовательно в цепь узла выделени  среднего значени  напр жени , управл ющий вход которого подключен к выходу распределител  импульсов, при этом блок опорного на пр жени  выполнен в виде источника по- сто нного напр жени . 2. Стабилизатор по п. 1, от личаю щ и и с   тем, что узел дискретного изменени  величины коэффициента переда- чи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени , выполнен в виде операционного усилител  . охваченного отрицательной обратной св зью , на вход которого включено N параллельно соединенных цепочек, кажда  из которых состоит из последовательно соединенных кгаоча и резистора, причем управл ющий вход упом нутого ключа под ключен к соответствующему управл юще- му входу данного узла, а величины резис торов , включенных послеаовагельно с ключами, выбраны из соогнощени  а;-)Я 1М где R - резистор, соединенный последовательно с 1 -ым ключом, управл ющий вход которого соеди«нен с 1 -тым выходом распре- делител  импульсов; i - 1, 2, 3 ... N - номер ключа; N - коэффициент умножени  частоты сети; резистор, последовательно соединеншый с первым ключом. 3. Стабилизатор по п. 1, о т л и ч ,а ю щ и и с   тем, что узел дискретного зменени  величины коэффициента передаи обратно пропорционально мгновенному начению стабилизируемого напр жени  выполнен в виде операционного усилител , охваченного цепью обратной св зи, на , вход которого вкшочен резистор, а цепь отрицательной обратной св зи выполнена из N параллельно соединенных цепочек, кажда  из которых состоит из последовательно соединенных ключа и резистора, причем управл ющий вход упом нутого ключа подключен к соответствующему управл ющему входу данного узла, а величины резисторов, включенных последова- тепьно с ключами, выбраны из соотношени  4. Стабипизатор по п. 1, о т л и ч аю щ и и с   тем, что узел дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорциоанльно мгновенному значению стабилизируемого напр жени  выполнен в виде операционного усилител , охваченного отрицательной обратной св зью , на вход которого включены N последовательно соединенных цепочек, кажда  из которых выполнена в виде резистора, зашунтированного ключом, управл ющий вход которого подключен к соответствующему управл ющему входу данного уз- « ла, а величина указанного резистора выбрана из соотношени  i dllll IN 5. Стабилизатор по п, 1, о т л и ч аю щ и и с   тем, что узел дискретного изменени  величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напр жени  вьшолнен в виде операционного усилител , охваченного цепью обратной св зи, на вход которого вкшочен резистор, а цепь отрицательной обратной св зи выполнена из N последовательно соединенных цепочек , кажда  из которых состоит из параллельно соединенных резистора и ключа, управл ющий вход которого подключен к соответствующему управл ющему входу 139358 данного узпа, а величина резисторов, вкпюченных параппешьно с кшочами, выбраны из соотношени  1 . lliH) Sin5 99 Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 472339, кл. С 05 Г 1/44, 1974. . 2. Авторское свидетепьство СССР № 699505, кл. С О5 F 1/44, 1977.

вход

u.f

(frt /7cre/7/ e e/ Lfr7 e/fff ((//fdcod

u.2

6 код . f

и.5 бхоЭ - ff

I I I I I

P- Ф ) , a ,., C-

/.

uf.S

o

B(/xo .f. fy. -г I I I I I f pocr fjede/ ur77e/fff uf f / bcoff u.

1 K I

JI

y I

I I

I I

&

L-J.

Ч

Claims (5)

Формула изобретения I

1. Стабилизатор переменного напряжет ния, содержащий первый фильтр, входом подключенный к выходной клемме, а выходом - к силовому входу ключевого ре гупирующего органа, выход которого через второй фильтр подключен к выходной клемме, блок сравнения выходом соединенный с управляющим входом ключевого регулирующего органа, а одним йэ входов — с блоком опорного напряжения, причем к другому входу блока сравнения подключен выход блока обратной связи, включающий узел выделения среднего значения напряжения, при этом вход блока обратной связи подключен к выходной клемме, блок управления и синхронизации, состоящий иэ умножителя частоты сети, по крайней мере - с одним выходом, соединенным с управляющим входом узла выделения среднего значения напряжения и распределителя импульсов также, по край— 5 ней мере, с одним выходом, отличающийся тем, что, с цепью повышения точности стабилизации и расширения функциональных возможностей, блок обратной связи снабжен узлом дискретного 10 изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения, с по крайней мере, одним управляющим . входом, и включенным последовательно 55 изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения выполнен в виде операционного усилителя, охваченного цепью обратной связи, на < вход которого включен резистор, а цепь отрицательной обратной связи выполнена из N параллельно соединенных цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных ключа и резистора, причем управляющий вход упомянутого ключа подключен к соответствующему управляющему входу данного узла, а величины резисторов, включенных последова—· тельно с ключами, выбраны из соотнов цепь узла выделения среднего значения напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу распределителя импульсов, при этом блок опорного напряжения выполнен в виде источника по- 20 стоянного напряжения.

шения

2. Стабилизатор поп. 1, от дичающий с я тем, что узел дискретного изменения величины коэффициента переда- 25 чи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения, выполнен в виде операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, на вход которого включено N па- 30 ралпепьно соединенных цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных ключа и резистора, причем управляющий вход упомянутого ключа подключен к соответствующему управпяюще- j₅ му входу данного узла, а величины резисторов , включенных последовательно с ключами, выбраны иэ соотношения

3. Стабилизатор по п. 1‘, о т л и ч аге ш и й с я тем, что узел дискретного

4. Стабилизатор по π. 1, о т п и чаге ш и й с я тем, что узел дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорциоанльно мгновенному значению стабилизируемого напряжения выполнен в виде операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, на вход которого включены N последовательно соединенных цепочек, каждая из которых выполнена в виде резистора, зашунтированного ключом, управляющий вход которого подключен к соответствующему управляющему входу данного узла, а величина указанного резистора выбрана из соотношения gin

IN

Sin

Л

1N

Sin

JL ΊΝ

3in

JF jin где R - резистор, соединенный последовательно с i -ым ключом, управляющий вход которого соединен с ϊ -тым выходом распре- 50 делителя импульсов;

i - 1, 2, 3 ... N - номер ключа; N - коэффициент умножения частоты сети;

резистор, последовательно сое- 55 диненный с первым ключом.

5. Стабилизатор по π. 1, о т п и ч βίο щ и й с я тем, что узеп дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения выполнен в виде операционного усилителя, охваченного цепью обратной связи, на вход которого включен резистор, а цепь отрицательной обратной связи выполнена из N последовательно соединенных цепочек, каждая из которых состоит из параллельно соединенных резистора и ключа, управляющий вход которого подключен к соответствующему управляющему входу данного узла, а величина резисторов, включенных параллельно с ключами, выбраны из соотношения

Sin

Q.N