Устройство управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток
CONTROL DEVICE OF DIRECT VOLTAGE TO DC INVERTER

Область техники
Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано для управления преобразователями постоянного напряжения в постоянный ток, с целью снижения потребляемой мощности электрической энергии.
Уровень техники
Аналогичные технические решения известны, см. например см. книгу «Применение прецизионных аналоговых ИС» авторов А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб, Москва «Радио и связь», 1981 г., стр. 148, табл. 6.2а, где представлено устройство управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток, которое содержит:
- операционный усилитель, подсоединенный своим инвертирующим (-) входом к выходу задатчика величины выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток, своим неинвертирующим (+) входом к выходу преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток и своим выходом к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток.
Общим признаком предлагаемого технического решения и выше охарактеризованного аналогичного технического решения является операционный усилитель, подсоединенный своим выходом к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток.
Известно также аналогичное техническое решение, см. книгу «Полупроводниковая схемотехника» авторов У. Титце и X Шенк, стр. 174, Москва «Мир», 1982 г., рис. 12.11 а), где показано устройство управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток, которое выбрано в качестве ближайшего аналога (прототипа) и которое содержит:
- операционный усилитель, подсоединенный своим неинвертирующим (+) входом к выходу задатчика величины выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток, своим инвертирующим (-) входом к выходу преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток (к одному из выводов измерительного резистора) и своим выходом к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток.
Общими признаками технического решения, предлагаемого для патентования, и технического решения-прототипа являются:
- операционный усилитель, подсоединенный своим неинвертирующим (+) входом к выходу задатчика величины выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток и своим выходом к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из выше охарактеризованных аналогичных технических решений, заключается в снижении потребляемой мощности электрической энергии постоянного тока, протекающего через преобразователь постоянного напряжения в постоянный ток. Причиной невозможности достижения вышеуказанного технического результата является то, что в известных аналогичных технических решениях постоянный ток, протекающий через преобразователь постоянного напряжения в постоянный ток, обеспечивает не только подачу напряжения обратной связи с вывода измерительного резистора на инвертирующий (-) вход операционного усилителя, но и подачу на инвертирующий (-) вход операционного усилителя постоянного напряжения смещения, которое для обычных операционных усилителей, как правило, достаточно велико, что и приводит к значительному перерасходу мощности потребляемой электроэнергии.
Учитывая характеристику и анализ известных аналогичных технических решений, можно сделать вывод, что задача создания устройств управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток, обеспечивающих незначительное потребление мощности электроэнергии, является актуальной на сегодняшний день.
Сущность изобретения
Технический результат, указанный выше, достигается тем, что устройство управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток, содержащее операционный усилитель, подсоединенный своим неинвертирующим (+) входом к выходу задатчика величины выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток (первый вход устройства управления) и своим выходом к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток, снабжено узлом обратной связи (выполненным, например, в виде постоянного резистора), опорным резистором и источником постоянного напряжения, при этом вход узла обратной связи является вторым входом устройства управления, а к инвертирующему (-) входу операционного усилителя подключены выход узла обратной связи и последовательно соединенные источник постоянного напряжения и опорный резистор.
Выполнение устройства управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток вышеописанным образом позволяет, при поступлении входного напряжения на преобразователь постоянного напряжения в постоянный ток, преобразовать входное постоянное напряжение, в конечном итоге, в стабильный постоянный ток, величина которого зависит от напряжения на первом входе устройства управления (иными словами, от напряжения задатчика величины выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток).
При протекании выходного тока через измерительный резистор преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток, на измерительном резисторе возникает падение напряжения, которое в виде напряжения обратной связи поступает на второй вход устройства управления (на вход узла обратной связи). Через узел обратной связи указанное напряжение поступает на инвертирующий (-) вход операционного усилителя устройства управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток.
Одновременно на этот же инвертирующий (-) вход операционного усилителя с источника постоянного напряжения устройства управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток через опорный резистор подается напряжение смещения, обеспечивающее рабочий режим операционного усилителя. Указанное напряжение смещения практически не зависит ни от величины выходного постоянного тока, ни от номинала измерительного резистора. Под воздействием напряжения обратной связи, поступающего с выхода узла обратной связи на инвертирующий вход (-) операционного усилителя, стабилизируется выходной ток преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток на уровне, который определяется напряжением, поступающим на неинвертирующий вход (+) операционного усилителя с первого входа устройства управления (с выхода задатчика величины выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток).
Таким образом, в предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, формирование напряжения смещения на инвертирующем (-) входе операционного усилителя, которое обеспечивает рабочий режим операционного усилителя, не связано с формированием напряжения обратной связи, стабилизирующего величину выходного тока на заданном уровне, что позволяет выбрать разумно малый номинал измерительного резистора и тем самым существенно уменьшить мощность электрической энергии, потребляемую преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток.
Сказанное подтверждается несложными расчетами.
Пусть требуемое напряжение смещения U см на инвертирующем (-) входе операционного усилителя, обеспечивающего рабочий режим операционного усилителя, составляет U см = 2,0 В.
Пусть необходимо стабилизировать по очереди три значения выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток:
Iвых = 0,1 А; 1,0 А; 10,0 А.
В случае прототипа для создания напряжения смещения, равного 2,0 В, при токе 0,1 А требуется выбрать измерительный резистор номиналом
R изм=U см/Iвых=2,0:0,1=20 Ом.
Мощность потребления электрической энергии прототипа при токе 0,1 А:
пр
2
2
Р=Iвых×R изм=0,1×20=0,2 Вт.
При токе 1,0 А в прототипе требуется выбрать измерительный резистор номиналом
R изм=U см/Iвых=2,0:1,0=2,0 Ом.
Мощность потребления электрической энергии при токе 1,0 А составляет
пр
2
2
Р=Iвых×R изм=1,0×2,0=2,0 Вт.
При токе 10,0 А в прототипе требуется выбрать измерительный резистор номиналом
R изм=U см/Iвых=2,0/10,0=0,2 Ом.
Мощность потребления электрической энергии при токе 10,0 А составляет
пр
2
2
Р=Iвых×R изм=10,0×0,2=20 Вт.
В предлагаемом техническом решении номинал измерительного резистора может быть выбран произвольно малым, например, 0,1 Ом, независимо от требуемого напряжения смещения U см.
Тогда при токе 0,1 А мощность потребления электрической энергии в измерительном резисторе в предлагаемом техническом решении составит:
тр
2
2
Р=Iвых×R изм=0,1×0,1=0,001 Вт.
При токе 1,0 А мощность потребления электрической энергии в измерительном резисторе составит :
тр
2
2
Р=Iвых×R изм=1,0×0,1=0,1 Вт.
При токе 10,0 А мощность потребления электрической энергии в измерительном резисторе составит:
тр
2
2
Р=Iвых×R изм=10,0×0,1=10 Вт.
При этом учтем, что в предлагаемом техническом решении дополнительная мощность рассеивается в узле обратной связи и в источнике опорного напряжения.
YOC
Примем, что узел обратной связи выполнен в виде резистора номиналом R=3,9 Ком, что в практических условиях реализации обеспечивает надежную работу устройства, выполненного в соответствии с предлагаемым техническом решением.
Тогда мощность потребления в узле обратной связи составит
уос
YOC
2
2
Р=Uсм/R=0,4:3900=0,00004 Вт.
Мощность потребления источника опорного напряжения в предлагаемом техническом решении имеет примерно такую же величину.
Добавим эти величины мощности к ранее рассчитанным и сведем результаты расчетов в сравнительную таблицу:
Из таблицы видно, что в данном примере обеспечивается выигрыш по мощности потребления в десятки и сотни раз. Специалистам ясно, что напряжение смещения U см на инвертирующем (-) входе операционного усилителя, обеспечивающее его рабочий режим, в зависимости от типа операционного усилителя, может быть равным и 0,4 В, и 1,0 В, и 4,0 В, и более; выходные токи преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток могут быть и единицы миллиампер, и десятки ампер. Во всех этих конкретных случаях правильный выбор измерительного резистора, узла обратной связи, опорного резистора и источника опорного напряжения в предлагаемом техническом решении позволяет обеспечить снижение мощности потребляемой электрической энергии по сравнению с прототипом в десятки и даже сотни раз.
В чем и проявляется достижение вышеуказанного технического результата.
Функционирование предлагаемого устройства управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток поясняется нижеследующим описанием и чертежом фиг. 1, который содержит:
- операционный усилитель - 1, подсоединенный своим инвертирующим (-) входом - 2 к первому выводу - 3 опорного резистора - 4, который подсоединен своим вторым выводом - 5 к положительному выходу - 6 первого источника - 7 постоянного напряжения, подсоединенному своим отрицательным выходом - 8 через выход - 9 к общему проводу устройства, при этом неинвертирующий (-) вход - 10 операционного усилителя - 1 является первым входом - 11 устройства - 12 управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток;
- задатчик - 13 величины выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток, выполненный, например, в виде второго источника - 14 постоянного напряжения, подсоединенного своим положительным выходом - 15 к одному из выводов - 16 переменного резистора - 17, и своим отрицательным выходом - 18 к другому выводу - 19 переменного резистора - 17, а также через вывод - 20 к общему проводу устройства, при этом переменный резистор - 17 подсоединен своим выходом (движком) - 21 к выходу - 22 задатчика - 13 величины выходного тока преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток, который подсоединен к первому входу - 11 устройства - 12 управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток;
- преобразователь - 23 постоянного напряжения в постоянный ток, выполненный, например, в виде третьего источника постоянного напряжения - 24, нагрузки - 25, биполярного транзистора - 26 и измерительного резистора - 27, причем положительный выход - 28 третьего источника - 24 постоянного напряжения подсоединен к первому выводу - 29 нагрузки - 25, второй вывод - 30 нагрузки - 25 подсоединен к коллектору - 31 биполярного транзистора - 26, эмиттер - 32 биполярного транзистора - 26 подсоединен к первому выводу - 33 измерительного резистора - 27 и является выходом - 34 преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток, отрицательный выход - 35 третьего источника - 24 постоянного напряжения подсоединен к второму выводу - 36 измерительного резистора - 27 и через вывод - 37 преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток подсоединен к общему проводу - 9 устройства, а база - 38 биполярного транзистора - 26 является управляющим входом - 39 преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток;
- узел обратной связи - 40, выполненный, например, в виде резистора, первый вывод которого - 41 подсоединен к инвертирующему (-) входу - 2 операционного усилителя - 1, а второй вывод - 42 является вторым входом - 43 устройства - 12 управления преобразователем - 23 постоянного напряжения в постоянный ток и подсоединен к выходу - 34 преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток, при этом выход - 44 операционного усилителя - 1 является выходом - 45 устройства - 12 управления преобразователем - 23 постоянного напряжения в постоянный ток.
Предлагаемое устройство управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток работает следующим образом.
С выхода - 22 задатчика - 13 величины выходного тока преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток на первый вход - 11 устройства - 12 управления преобразователем - 23 постоянного напряжения в постоянный ток (на неинвертирующий вход - 10 операционного усилителя - 1), подают необходимое напряжение, обеспечивающее заранее заданное значение постоянного тока, протекающего в цепи питания нагрузки - 25.
Указанное напряжение может быть создано, например, путем использования второго источника - 14 постоянного напряжения, к положительному - 15 и отрицательному - 18 выходам которого подключен переменный резистор - 17, с выхода (движка) - 21 которого на выход - 22 задатчика - 13 величины выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток подается необходимое управляющее напряжение.
Заданное значение постоянного тока стабилизируется благодаря действию обратной связи, охватывающей операционный усилитель - 1, биполярный транзистор - 26, измерительный резистор - 27 и узел - 40 обратной связи. Действительно, при уменьшении постоянного тока, протекающего по цепи: положительный выход - 28 третьего источника постоянного напряжения - 24 - нагрузка - 25 - биполярный транзистор - 26 - измерительный резистор - 27, по сравнению с заданным значением (например, из-за увеличения сопротивления нагрузки - 25), с выхода - 34 преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток на второй вход - 43 устройства - 12 управления преобразователем - 23 постоянного напряжения в постоянный ток поступает уменьшающееся напряжение, которое через узел обратной связи - 40 передается на инвертирующий (-) вход - 2 операционного усилителя - 1, на другой неинвертирующий (+) вход - 10 которого поступает управляющее напряжение с выхода - 22 задатчика - 13 величины выходного тока преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток. Уменьшение напряжения на инвертирующем (-) входе - 2 операционного усилителя - 1 приводит к возникновению разности потенциалов между входами операционного усилителя - 1, благодаря чему увеличивается напряжение на его выходе - 44, которое через выход - 45 устройства - 12 управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток - 12 передается на базу - 38 биполярного транзистора - 26. В результате биполярный транзистор - 26 открывается, ток через него увеличивается и происходит компенсация исходного уменьшения постоянного тока, протекающего по вышеуказанной цепи.
При увеличении постоянного тока, протекающего по вышеуказанной цепи, вышеописанные процессы повторяются с обратным знаком, что также приводит к компенсации исходного изменения выходного тока.
По этой причине через измерительный резистор - 27 протекает ток, не зависящий от изменений нагрузки - 25, а его величина будет определяться номиналом измерительного резистора - 27 и величиной выходного напряжения задатчика - 13 величины выходного тока преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток. При этом, если выходное напряжение задатчика - 13 величины выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток, подключенного к неинвертирующему ("+") входу - 10 операционного усилителя - 1 устройства - 12 управления преобразователем - 23 постоянного напряжения в постоянный ток, будет больше, чем напряжение на инвертирующем ("-") входе - 2 операционного усилителя - 1, который подсоединен к эмиттеру - 32 биполярного транзистора - 26 и к измерительному резистору - 27 преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток через узел обратной связи - 40, то на выходе - 44 операционного усилителя - 1, подсоединенного к базе - 38 биполярного транзистора - 26, будет такое напряжение, при котором биполярный транзистор - 26 открывается, и напряжение на измерительном резисторе - 27 будет расти до тех пор, пока напряжение на инвертирующим (-) входе - 2 операционного усилителя - 1 не станет равным по величине выходному напряжению задатчика - 13 величины выходного тока преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток. В этот момент напряжение на выходе операционного усилителя - 1 перестанет расти, напряжение на эмиттере - 32 биполярного транзистора - 26 также перестанет расти и будет такой величины, при которой напряжение в точке соединения эмиттера - 32 биполярного транзистора - 26 и измерительного резистора - 27 будет равно напряжению на неинвертирующем ("+") входе - 10 операционного усилителя - 1 (с учетом падения напряжения на узле обратной связи - 40, а также напряжения на первом выводе - 3 опорного резистора - 4, подключенного своим вторым выводом - 5 к положительному выходу - 6 первого источника постоянного напряжения - 7), и это состояние будет поддерживаться при изменении нагрузки - 25. Следовательно, при изменении величины нагрузки - 25, по вышеописанной цепи будет течь постоянный стабилизированный ток, величина которого определяется значением выходного напряжения задатчика - 13 величины выходного тока преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток, и номиналом измерительного резистора - 10.
При этом рабочий режим операционного усилителя - 1 устройства - 12 управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток - 12 определяется напряжением смещения, поступающим с выхода - 6 источника постоянного напряжения - 7 через опорный резистор - 4 на инвертирующий - 2 вход операционного усилителя - 1, благодаря чему номинал измерительного резистора - 27 может быть выбран достаточно малым, независимо от величины необходимого напряжения смещения, поэтому мощность рассеяния на этом резисторе становится также достаточно малой.
Таким образом, предлагаемое устройство - 12 управления преобразователем - 23 постоянного напряжения в постоянный ток, за счет раздельного формирования напряжения смещения на инвертирующем - 2 входе операционного усилителя - 1 и напряжения обратной связи, поступающего на тот же вход через узел обратной связи - 40, позволяет резко снизить мощность потребления электрической энергии.
Нужно отметить, что предлагаемое техническое решение может быть реализовано самыми разными способами. Например, транзистор - 26 может быть не только биполярным, но и МОП-транзистором, и БТИЗ-транзистором, и вообще любым линейным управляющим элементом.
Выходное напряжение задатчика - 13 величины выходного тока преобразователя - 23 постоянного напряжения в постоянный ток также может быть создано иными способами, отличающимися от описанного, например, с помощью преобразования широтно-импульсной модуляции в управляющее напряжение; либо преобразования кода управляющего протокола (например, DALI) в управляющее напряжение; либо любым иным преобразованием управляющего воздействия в управляющее напряжение.
Для питания задатчика - 13 величины выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток и для создания источника - 7 постоянного напряжения может быть использована общая цепь питания; а в качестве опорного резистора - 4 может использоваться генератор тока, выполненный, например, на интегральной микросхеме LT 3092? и так далее.
Все эти способы реализации предлагаемого технического решения в конечном счете позволяют получить один и тот же технический результат: снизить мощность потребления электрической энергии за счет раздельного формирования напряжения смещения (на инвертирующем входе операционного усилителя) и напряжения обратной связи (поступающего на тот же вход через узел обратной связи с измерительного резистора) в устройстве управления преобразователем постоянного напряжения в постоянный ток.