Астатичний компенсаційний стабілізатор напруги безперервної дії

Астатичний компенсаційний стабілізатор напруги безперервної дії, що містить регулюючий елемент, включений послідовно з навантаженням, вимірювальний елемент вихідної напруги, вихід якого підключений до прямого входу елемента порівняння, інвертуючий вхід якого підключений до виходу джерела опорної напруги, суматор та підсилювач напруги, який відрізняється тим, що в нього додатково введений інтегруючий елемент, при цьому вихід елемента порівняння з'єднаний з входом підсилювача напруги, вихід якого з'єднаний з входом інтегруючого елемента, вихід якого з'єднаний з першим входом суматора, другий вхід якого є входом напруги уставки, а вихід суматора з'єднаний з входом регулюючого елемента. (19) (21) a201004487 (22) 19.04.2010 (24) 26.12.2011 (46) 26.12.2011, Бюл.№ 24, 2011 р. (72) ЗАЙЦЕВ ГРИГОРІЙ ФРОЛОВИЧ, КРИВУЦА ВЛАДИМИР ГЕОРГІЙОВИЧ, БУЛГАЧ ВІКТОР ЛЕОНАРДОВИЧ, БУРСОВА ТЕТЯНА ВІКТОРІВНА (73) ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ (56) UA 41635 A; 17.09.2001 UA 54680 A; 17.03.2003 SU 930304; 23.05.1982 SU 1786478 A1; 07.01.1993 RU 2195759 C1; 27.12.2002 US 5336987; 09.08.1994 JP 11285142 A; 15.10.1999 3 ження і зростаючі в часі напруги неузгодженості при зміні в часі цих впливів, що обурюють. Винахід дозволяє підвищити точність стабілізатора напруги - усунути напруги неузгодженості при східчастих змінах відхилень вхідної напруги й опору навантаження, а при зміні цих впливів, що обурюють, за лінійним законом зростаючі напруги неузгодженості обмежити кінцевими значеннями. На фіг. 1 зображена функціональна схема статичного стабілізатора напруги безперервної дії прототипу з принципом керування по відхиленню; на фіг. 2 - принципова схема (варіант) статичного стабілізатора напруги; на фіг. 3 (а, б) - функціональна схема астатичного стабілізатора напруги; на фіг. 4 - форми напруг у стабілізаторі-прототипі і пропонованому стабілізаторі при східчастій зміні вхідної напруги; на фіг. 5 - форми напруг у стабілізаторі-прототипі і пропонованому стабілізаторі при лінійній зміні вхідної напруги; на фіг. 6 - принципова схема (варіант) астатичного стабілізатора напруги безперервної дії. Астатичний стабілізатор напруги безперервної дії (фіг. 3) складається з регулюючого елемента 1, включеного послідовно з навантаженням 2, вимірювального елемента вихідної напруги 3, з виходу якого напруга зворотного зв'язку UЗЗ , пропорційна UВИХ , подається на прямий вхід елемента порівняння 4, на вхід, що інвертує, якого подається опорна UОП , напруга з виходу джерела опорної напруги 5, підсилювача 6, на вхід якого подається напруга U неузгодженості з виходу елемента порівняння, елемента 7, що інтегрує, на вхід якого надходить напруга UП з виходу підсилювача, суматора 8, на вхід якого надходять напруга UІ з виходу інтегруючого елемента і напруга уставки UУСТ , вихідна напруга U суматора подається на регулюючий елемент. Особливості роботи стабілізатора з інтегруючим елементом у порівнянні зі стабілізаторомпрототипом полягають у наступному. Якщо в деякий момент часу t1 , вхідна напруга UВХ стрибком збільшилося на UВХ (фіг. 4,а, 1), то в стабілізаторі без інтегратора (фіг. 1, 2) виникає напруга неузгодженості U (фіг. 4,а, 2) (обумовлена виразом (8),стор.52 [2]). Ця напруга неузгодженості буде зберігатися доти, поки на вхід стабілізатора буде надходити підвищена напруга (у проміжку від t1 до t 2 ). Вихідна напруга UВИХ в цей проміжок часу зростає від номінального значення UВИХ на значення UВИХ , пропорційне UВХ . У стабілізаторі з інтегруючим елементом 7 (фіг. 3) при східчастому зростанні UВХ на UВХ (фіг. 4,б, 1) з'являється напруга неузгодженості U , яка підсилюється підсилювачем 6 і у вигляді напруги UП подається на інтегруючий елемент 7. На виході інтегратора напруга UI зростає в часі (фіг. 4,б, 2). Зростаюча напруга UI в суматорі 1 97013 4 сумується з напругою уставки UУСТ , за допомогою якої, як і в стабілізаторі без інтегратора (фіг. 1), встановлюється номінальний опір регулюючого елемента РЕ. Зростання напруги на виході інтегратора, а отже, і опору регулюючого елемента РЕ буде відбуватися доти, поки напруга неузгодженості U , а також і напруга UП не зменшаться до нуля (фіг. 4,б, 2), а вихідна напруга стабілізатора не стане рівною номінальному значенню (фіг. 4,б, 3). Якщо вхідна напруга стабілізатора UВХ , починаючи з моменту t1 , змінюється за лінійним законом (фіг. 5.1), то для того, щоб підтримати сталість вихідної напруги необхідно змінювати опір регулюючого елемента також за лінійним законом. У статичному стабілізаторі (фіг. 1) у цьому випадку, згідно з ((9),стор.52 [2]) напруга неузгодженості U також буде змінюватися за лінійним законом (фіг. 5,а, 2) і змінювати опір регулюючого елемента за лінійним законом, але з меншою швидкістю в порівнянні з тією, при якій би усунулася напруга неузгодженості. У результаті цього вихідна напруга стабілізатора UВИХ не буде залишатися постійною, а буде змінюватися за лінійним законом (фіг. 5,а, 4). У стабілізаторі з інтегратором 7 (фіг. 3) при лінійній зміні UВХ (фіг. 5,б, 1) у сталому режимі виникає постійна напруга неузгодженості U (фіг. 5,б, 2), яка, надходячи через підсилювач 6 на інтегруючий елемент, створює на його виході напругу UI t  , що лінійно змінюється (фіг. 5,б, 3). Ця напруга надходячи через суматор 8 на регулюючий елемент 1, змінює його опір за лінійним законом. Вихідна напруга стабілізатора (фіг. 5,б, 4) змінюється на постійну величину UВИХ , що відповідає напрузі неузгодженості U , а не зростає в часі, як у стабілізаторі-прототипі (без інтегруючого елемента). При східчастій зміні опору навантаження на RH в стабілізаторі-прототипі виникає постійна напруга неузгодженості UR , пропорційна RH (див.(11), стор.53, [2]). У пропонованому стабілізаторі з інтегратором напруга помилки підсилюється і вихідна напруга підсилювача UП , надходячи на інтегратор, створює на його виході зростаючу напругу UI . Напруга UI , надходячи на регулюючий елемент, змінює його опір доти, поки напруга на вході інтегратора UI , а отже, і напруга неузгодженості UR не стануть рівними нулю. При лінійній зміні опору навантаження, згідно з ((12), стор.53 [2]), у стабілізаторі-прототипі виникає напруга неузгодженості, що змінюється за лінійним законом. У пропонованому стабілізаторі при зміні опору навантаження по лінійному закону в сталому режимі виникає постійна напруга неузгодженості, яка надходячи через підсилювач на інтегратор, викликає на його виході лінійно змінювану напругу 5 UI . Остання, надходячи на регулюючий елемент, змінює його опір за лінійним законом. Вихідна напруга стабілізатора змінюється на постійну величину UВИХ , що відповідає напрузі неузгодженості UR , а не змінюється за лінійним законом, як у стабілізаторі-прототипі. Пропонований стабілізатор напруги є астатичним з астатизмом першого порядку щодо відхилень вхідної напруги й опору навантаження, тому що напруга неузгодженості в сталому режимі при східчастих змінах цих збурюючих впливів, дорівнює нулю ([3]. Стр. 36-38). Варіант принципової схеми астатичного стабілізатора напруги, що відповідає функціональній схемі (фіг. 3), зображений на фіг. 6. Регулюючий елемент 1 виконано на потужному транзисторі VT1. Вимірювальним елементом 3 служить дільник напруги, що складається з резисторів R9, R10 і R11. Напруга зворотного зв'язку UЗЗ , пропорційна вихідній напрузі UВИХ , знімається з резистора R11 і частини резистора R10. Опорна напруга UОП знімається зі стабілітрона VD1, що утворює разом з резистором, що гасить, R8 параметричний стабілізатор напруги - джерело опорної напруги 5. Опорна напруга UОП через резистор R7 подається на вхід операційного підсилювача, що інвертує, DA1, що забезпечує інвертування - зміну полярності напруги на виході щодо полярності напруги на вході. Напруга зворотного зв'язку UЗЗ позитивної полярності й опорна напруга UОП негативної полярності подаються через резистори R5 і R4 на вхід, що інвертує, підсумовуючого інтегратора, зібраного на операційному підсилювачі DA2, у зворотний зв'язок якого включений конденсатор С1. Завдяки цьому операційний підсилювач DA2 виконує функції елемента порівняння 4, підсилювача 6 і інтегратора 7. Вихідна напруга UI підсумовуючого інтегратора DA2 і напруга уставки UУСТ , за яку використовується опорна напруга UОП , (знімається зі стабілітрона VD1), сумуються за допомогою схеми, що складається з резисторів R1, R2 і R3. Сумарна напруга U  UУСТ  UI , що є напругою керування, прикладається до бази регулюючого транзистора VT1. Зміна потенціалу бази (напруги U ) щодо потенціалу емітера викликає відповідну зміну опору між колектором і емітером регулюючого транзистора VT1. Стабілізатор працює в такий спосіб. При номінальних значеннях вхідної напруги UВХ й опору навантаження RH за допомогою напруги уставки UУСТ встановлюють номінальний опір RPE регулюючого транзистора VT1, при якому вихідна напруга UВИХ стає рівною номінальному значенню UВИХ. Н , а напруга неузгодженості дорівнює нулю 97013 6 U  UЗЗ  UОП  0 . Нехай з якої-небудь причини (зміні вхідної UВХ чи напруги опору навантаження RH ) змінилася, наприклад зменшилася вихідна напруга UВИХ стабілізатора. Це зменшення призводить до зменшення напруги зворотного зв'язку UЗЗ ( UЗЗ  UВИХ ) - появі негативної напруги неузгодженості UЗЗ  UОП  U  0 на вході,що інвертує, підсумовуючого інтегратора DA2, а отже, і зростаючої UI напруги позитивної полярності на виході цього інтегратора. При цьому напруга керування, рівна U  UУСТ  UI зростає в часі, підвищуючи потенціал бази регулюючого транзистора VT1 відносно його емітера. Опір між колектором і емітером регулюючого транзистора зменшується, що викликає зменшення спадання напруги на ньому і збільшення вихідної напруги стабілізатора. Збільшення вихідної напруги стабілізатора буде відбуватися доти, поки його значення не досягне номінального значення UВИХ. Н , а напруга неузгодженості U не стане рівною нулю. Зіставлення з прототипом показує, що пристрій, що заявляється, відрізняється включенням інтегруючого елемента в негативний зворотний зв'язок стабілізатора напруги і тим самим пристрій, що заявляється, відповідає критерію винаходу "новизна". Порівняння винаходу з іншими технічними рішеннями, які відомі в науці і техніці, показує, що відомі стабілізатори напруги безперервної дії, у яких за рахунок уведення розімкнутого компенсаційного зв'язку по вхідній напрузі зменшується напруга неузгодженості, викликувана тільки відхиленнями вхідної напруги від номінального значення [4, 5] чи стабілізатор з компенсаційним зв'язком по струму навантаження, за допомогою якого зменшується напруга неузгодженості, викликувана тільки зміною відхилення опору навантаження [6, 7]. У стабілізаторі напруги, що заявляється, включення інтегруючого елемента в негативний зворотний зв'язок дозволяє зменшувати напруги неузгодженості, викликувані змінами як вхідної напруги, так і опору навантаження, при цьому цілком усуваються властиві стабілізаторупрототипу постійні за значенням напруги неузгодженості в сталих режимах при східчастих змінах відхилень вхідної напруги й опору навантаження, а зростаючі напруги неузгодженості при зміні цих впливів, що обурюють, за лінійним законом обмежуються кінцевими значеннями. Це дозволяє зробити висновок про відповідність технічного рішення критерію "істотні відмінності". Джерела інформації: 1. Электропитание устройств связи: Учебник для ВУЗов/ Под ред. проф. В.Е. Китаева. - М.: Радио и связь, 1988.-280с. 2. Зайцев Г.Ф., Булгач В.Л., Каргаполов Ю.В. Анализ математической модели компенсационного стабилизатора напряжения / Вісник Державного 7 Університету інформаційно-комунікаційних технологій. К.: 2009 - Том 7(1). 3 Радиоавтоматика. Т. 1./ Г.Ф. Зайцев, Г.Н. Арсеньев, В.Г. Кривуца, В.Л. Булгач. Государственный университет информационнокоммуникационных технологий. К.: - ООО "Д.В.К.».-2004.-524с. 4. Деклараційний патент на винахід № 54680 (Україна). Стабілізатор постійної напруги з компенсаційним зв'язком по вхідній напрузі. Зайцев Г.Ф., Верескун Л.Б., Верескун С.І. Опубл. Бюл. 17.03.2003, № 3. 5. Зайцев Г.Ф., Булгач В.Л., Каргаполов Ю.В. Комбинированный стабилизатор напряжения с 97013 8 разомкнутой связью по входному напряжению. / Журнал Вісник ДУІКТ. - К.: - 2009. - Т. 7(3) С. 222232. 6. Патент на винахід. № 41635 (Украина). Стабілізатор постійної напруги з компенсаційним зв'язком за струмом навантаження. / Зайцев Г.Ф., Бурсова Т.В. - Опубл. Бюл. 16.06.2003. №8. 7. Зайцев Г.Ф., Булгач В.Л., Каргаполов Ю.В., Бурсова Т.В. Комбинированный стабилизатор напряжения с разомкнутой связью по току нагрузки. / Журнал Вісник ДУІКТ - К.: - 2008. - Т. 6(4) С. 338343. 9 97013 10 11 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 97013 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601