СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ALTERNATING VOLTAGE STABILISER

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в устройствах электропитания аппаратуры различного назначения.
Известен стабилизатор переменного напряжения, который содержит регулирующий орган дискретного действия, включенный между входными и выходными выводами, реверсивный счетчик, соединенный одним входом с выходом первого узла совпадения, а выходами через усилители управления - с соответствующими входами регулирующего органа дискретного действия, измерительный орган, входом подключенный к выходным выводам, а выходом к входам первого и второго пороговых элементов, первый из которых соединен с входом первого инвертора, генератор импульсов, подключенный к первому входу первого узла совпадения, второй и третий инверторы [Авторское свидетельство СССР №976432, кл.G05F 1/20, 1981].
Недостатком стабилизатора является невысокая надежность, вызванная тем, что при случайных отклонениях входного напряжения от диапазона стабилизируемых напряжений возможно переполнение реверсивного счетчика (в прямом или обратном направлении). Знак обратной связи при этом меняется. Вместо необходимого уменьшения коэффициента трансформации трансформаторного регулирующего органа следует его увеличение, и наоборот. Работа стабилизатора как системы автоматического управления становится неустойчивой.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является стабилизатор переменного напряжения, содержащий регулирующий орган дискретного действия, включенный между входными и выходными выводами стабилизатора переменного напряжения, реверсивный счетчик, выходами соединенный с первым и вторым дешифраторами и через усилитель управления - с управляющими входами регулирующего органа дискретного действия, а входами - с выходами первого и второго конъюнкторов, первые входы которых соединены с выходами первого и второго дешифраторов соответственно, датчик тока, включенный между входным выводом стабилизатора и регулирующим органом дискретного действия, а выходом через формирователь импульсов синхронизации с конъюнкторами, выпрямитель, вход которого соединен с выходными выводами, компаратор инвертирующим входом подключенный к выходу выпрямителя, а неинвертирующим входом - к источнику опорного напряжения, счетчик импульсов счетным входом соединенный с задающим генератором, выходы которого соединены с одной частью входов схем сравнения, а другая часть входов схем сравнения подключена к задатчикам кодов, регистр, выходы которого соединены с конъюкторами, а входы - с выходами схем сравнения, а вход установки в "0" счетчика импульсов подключены к выходу компаратора [Авторское свидетельство СССР №1427350, 1988.]. Недостатком такого стабилизатора переменного напряжения является большая погрешность стабилизации, вызванная влиянием изменения частоты питающей сети.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности стабилизации.
Технический результат достигается тем, что в известный стабилизатор переменного напряжения, содержащий регулирующий орган дискретного действия, включенный между входными и выходными выводами стабилизатора, реверсивный счетчик, выходами соединенный с управляющими входами регулирующего органа дискретного действия, выпрямитель, вход которого соединен с выходными выводами, компаратор, инвертирующим входом подключенный к выходу выпрямителя, а неинвертирующим входом - к источнику опорного напряжения, формирователь импульсов синхронизации, входом подключенный к входному выводу стабилизатора, генератор тактовых импульсов, задатчик кодов и второй счетчик, нулевой установочный вход которого соединен с выходом формирователя импульсов синхронизации, вход предварительной установки - с выходом задатчика кодов, вход тактирования - с выходом генератора тактовых импульсов, введены логическое устройство, выходы которого соединены с суммирующим и вычитающими входами реверсивного счетчика, один вход подключен в выходу второго счетчика, а другой вход - к выходу формирователя импульсов синхронизации, при этом второй счетчик выполнен реверсивным, а его вход управления направлением счета соединен с выходом компаратора.
Схема предложенного стабилизатора переменного напряжения изображена на фиг.1.
На фиг.2 изображены временные диаграммы, поясняющие принцип функционирования предложенного стабилизатора напряжения. На них изображены:
а) - входное напряжение;
б) - сигнал с выхода выпрямителя 8;
в) - сигнал с выхода задатчика кодов 4;
г) - сигнал с выхода компаратора 10;
д) - сигнал с выхода формирователя синхроимпульсов 7;
е) - сигнал с выхода генератора тактовых импульсов 5. Стабилизатор переменного напряжения (фиг.1) содержит регулирующий орган дискретного действия 1, включенный между входными и выходными выводами стабилизатора, реверсивный счетчик 2, выходами соединенный с управляющими входами регулирующего органа дискретного действия 1, выпрямитель 8, вход которого соединен с выходными выводами, компаратор 10, инвертирующим входом подключенный к выходу выпрямителя 8, а неинвертирующим входом - к источнику опорного напряжения 9, формирователь импульсов синхронизации 7, входом подключенный к входному выводу стабилизатора, генератор тактовых импульсов 5, задатчик кодов 4 и второй счетчик 6, нулевой установочный вход которого соединен с выходом формирователя импульсов синхронизации 7, вход предварительной установки - с выходом задатчика кодов 4, вход тактирования - с выходом генератора тактовых импульсов 5, а также логическое устройство 3, выходы которого соединены с суммирующим и вычитающими входами реверсивного счетчика 2, один вход подключен в выходу второго счетчика 6, а другой вход - к выходу формирователя импульсов синхронизации 7. Второй счетчик выполнен реверсивным, а его вход управления направлением счета соединен с выходом компаратора 10.
0
Регулирующий орган 1 дискретного действия выполнен на трансформаторе, вторичная обмотка которого секционирована. В качестве реверсивного счетчика 2 может быть использована микросхема 1554ИЕ7. Логический узел 3 может быть реализован с использованием арифметико-логического устройства микроконтроллера, например Atmega16A, которое формирует логические сигналы управления на счетные входы реверсивного счетчика 2 в зависимости от величины и знака разности между кодом предварительной установки счетчика Nи накопленным числом тактовых импульсов N. Генератор тактовых импульсов 5 может быть реализован на микросхеме ICL8038. В качестве счетчика 6 может быть использована микросхема 564ИЕ7. Формирователь синхроимпульсов 7 реализуется на микросхеме 554СА3. Функции компаратора 10 выполняет микросхема 554СА3. Выпрямитель 8 может быть реализован в виде выпрямительного моста КЦ407. В качестве источника опорного напряжения 9 может быть применена микросхема REF102AP.
Работа предложенного стабилизатора напряжения происходит следующим образом.
0
0
Сетевое синусоидальное напряжение е подается на входные выводы устройства и без искажений формы передается регулирующим органом 1 на его выход (фиг.2.а). После выпрямителя 8 (фиг.2.б) оно сравнивается компаратором 10 с опорным напряжением h источника 9. Задатчик кодов 4 формирует код. N(фиг.2.в). Импульсы g с выхода компаратора (фиг.2.г), импульсы z с выхода формирователя синхроимпульсов 7 (фиг.2.д) и импульсы b с выхода генератора тактовых импульсов 5 (фиг.2.е) поступают на входы счетчика 6. Разница между кодом предварительной установки счетчика Nи числом накопленных счетчиком 6 импульсов N преобразуется логическим узлом 3 в последовательность импульсов, который поступает на прямой или инверсный входы реверсивного счетчика 2 в зависимости от знака разности. Регулирующий орган 1, управляемый от реверсивного счетчика 2, изменяет свой коэффициент передачи.
Выходное напряжение изменяется по закону
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mi>V</mi><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Длительность интервала θ от начала полупериода до момента равенства ν=h составляет
<mrow><mi>θ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mi>V</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
0
В момент перехода сетевым напряжением нулевого уровня осуществляется формирование синхроимпульса z. По этому импульсу счетчик 6 устанавливается в состояние N.
Под действием тактовых импульсов b, следующих с частотой f, происходит изменение состояния р-разрядного счетчика 6, который в интервале [0, θ] находится в состоянии вычитания, в интервале [0, Т/2-θ] - в состоянии суммирования, а в интервале [Т/2-θ, Т/2] - снова в состоянии вычитания. В результате к концу полупериода состояние счетчика 6 будет
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>f</mi><mi>θ</mi><mo>+</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>T</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>θ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>f</mi><mi>θ</mi><mo>=</mo><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>f</mi><mi>T</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>π</mi></mfrac><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mi>V</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
Считая, что частота следования тактовых импульсов в М раз превышает частоту сети, для состояния счетчика в конце полупериода получим
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>M</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>π</mi></mfrac><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mi>V</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
.
min
max
Считая, что диапазон изменения напряжений сети составляет V∈[V, V] для диапазона возможных состояний счетчика, получим
<mrow><mi>N</mi><mo>∈</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>M</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>π</mi></mfrac><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>M</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>π</mi></mfrac><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
Уровень опорного напряжения h можно определить из условия равенства, при напряжении сети V, интервалов 2θ и T/2-2θ, т.е.
<mrow><mfrac><mi>T</mi><mi>π</mi></mfrac><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mi>V</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mi>T</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mi>T</mi><mi>π</mi></mfrac><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mi>V</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>V</mi><mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
, он составляет
.
0
Код предварительной установки счетчика N и кратность М превышения частоты тактовых импульсов над частотой сети определяются из условий исключения режима переполнения счетчика
<mrow><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>M</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>π</mi></mfrac><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mi>V</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>≥</mo><mn>0</mn></mrow>
.
<mrow><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>M</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>π</mi></mfrac><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mi>V</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>≤</mo><msup><mn>2</mn><mi>p</mi></msup></mrow>
.
В отличие от известного устройства предложенное устройство имеет следующую особенность. Величина относительной разности интервалов не зависит от периода сети. Поэтому нестабильность частоты сети не сказывается на его работе.
Кроме того, изменение амплитуды выходного напряжения вызывает в нем одновременное изменение в противоположных направлениях длительностей двух интервалов, так что их разность, определяющая управляющее воздействие, изменяется быстрее, чем в известном устройстве, где управляющее воздействие определяется длительностью лишь одного интервала. Отмеченные обстоятельства позволяют повысить стабильность выходного напряжения.