Устройство для получения постоянного напряжения (варианты)
DEVICE FOR PRODUCING CONSTANT VOLTAGE (VERSIONS)

Предлагаемые технические решения относятся к области электротехники и могут быть использованы для создания источников постоянного напряжения, обеспечивающих стабильное постоянное напряжение на нагрузке в более широком диапазоне выходных напряжений, при существенном уменьшении величины импульсной составляющей в выходном напряжении и в выходном токе.
Аналогичные технические решения известны, см., например, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1229742, которое содержит нижеследующую совокупность существенных признаков:
- выпрямитель (источник постоянного напряжения);
- преобразователь постоянного напряжения в импульсное напряжение, подсоединенный своими входами к выходам источника постоянного напряжения;
- преобразователь импульсного напряжения в постоянное напряжение, подсоединенный своими входами к выходам преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение (DLC-фильтр);
- первый резистивный делитель напряжения, подсоединенный своими соответствующими выводами к выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение (DLC-фильтра):
- линейный стабилизатор, подсоединенный своими входами к выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение;
- второй резистивный делитель напряжения, подсоединенный одним своим выводом к выходу линейного стабилизатора и другим своим выводом к отрицательному выводу источника постоянного напряжения;
- нагрузку, подсоединенную первым своим выводом к выходу линейного стабилизатора напряжения и вторым своим выводом к отрицательному выводу источника постоянного напряжения;
- схему управления, подсоединенную своим первым входом к выходу задатчика выходного постоянного напряжения, своим вторым входом к выходу второго резистивного делителя напряжения и своим выходом к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение.
Общими признаками первого предлагаемого варианта устройства для получения постоянного напряжения и вышеохарактеризованного аналогичного технического решения являются:
- источник постоянного напряжения;
- преобразователь постоянного напряжения в импульсное напряжение, подсоединенный своими входами к выходам источника постоянного напряжения;
- преобразователь импульсного напряжения в постоянное напряжение, подсоединенный своими соответствующими входами к соответствующим выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение;
- задатчик выходного постоянного напряжения (первый резистивный делитель), подсоединенный своими соответствующими выводами к выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение;
- схема управления, подсоединенная своим первым входом к выходу задатчика выходного постоянного напряжения и своим выходом к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение.
Общими признаками второго предлагаемого варианта устройства для получения постоянного напряжения вышеохарактеризованного аналогичного технического решения являются:
- источник постоянного напряжения;
- преобразователь постоянного напряжения в импульсное напряжение, подсоединенный своими входами к выходам источника постоянного напряжения;
- преобразователь импульсного напряжения в постоянное напряжение;
- задатчик выходного постоянного напряжения, подсоединенный своими соответствующими выводами к выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение;
- схема управления, подсоединенная своим первым входом к выходу задатчика выходного постоянного напряжения.
Известно также аналогичное техническое решение, см. патент США на изобретение №6747420 В2, которое выбрано в качестве ближайшего аналога, прототипа и которое содержит нижеследующую совокупность существенных признаков:
- источник постоянного напряжения;
- преобразователь постоянного напряжения в импульсное напряжение, подсоединенный своими входами к выходам источника постоянного напряжения;
- преобразователь импульсного напряжения в постоянное напряжение, с положительным выводом, предназначенным для подсоединения к одному из выводов нагрузки, подсоединенный своими входами к выходам преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение;
- нагрузку, подсоединенную одним своим выводом к положительному выводу преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение;
- регулирующий орган с одним своим выводом (первый вход), предназначенным для подсоединения к другому выводу нагрузки;
- пропорциональный регулятор, подсоединенный своим выходом к управляющему (второму) входу регулирующего органа;
- задатчик выходного постоянного напряжения, подсоединенный своими соответствующими выводами к выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение;
- схему управления, подсоединенную своим первым входом к выходу задатчика выходного постоянного напряжения, вторым входом к выходу регулирующего органа, а своим выходом к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение.
Общими признаками первого предлагаемого варианта технического решения и прототипа являются:
- источник постоянного напряжения;
- преобразователь постоянного напряжения в импульсное напряжение, подсоединенный своим входом к выходу источника постоянного напряжения;
- преобразователь импульсного напряжения в постоянное напряжение, с положительным выводом, предназначенным для подсоединения к одному из выводов нагрузки, подсоединенный своими соответствующими входами к соответствующим выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение;
- регулирующий орган с одним своим выводом (первый вход), предназначенным для подсоединения к другому выводу нагрузки;
- пропорциональный регулятор, подсоединенный своим выходом к управляющему (второму) входу регулирующего органа;
- задатчик выходного постоянного напряжения, подсоединенный своими соответствующими выводами к выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение;
- схема управления, подсоединенная своим первым входом к выходу задатчика выходного постоянного напряжения, и своим выходом к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение.
Общими признаками второго предлагаемого варианта технического решения и прототипа являются:
- источник постоянного напряжения;
- преобразователь постоянного напряжения в импульсное напряжение, подсоединенный своими входами к выходам источника постоянного напряжения;
- преобразователь импульсного напряжения в постоянное напряжение с положительным выводом, предназначенным для подсоединения к одному из выводов нагрузки;
- регулирующий орган с первым входом, предназначенным для подсоединения к другому выводу нагрузки;
- пропорциональный регулятор, подсоединенный своим выходом к управляющему (второму) входу регулирующего органа;
- задатчик выходного постоянного напряжения, подсоединенный своими соответствующими выводами к выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение;
- схема управления, подсоединенная своим первым входом к выходу задатчика выходного постоянного напряжения.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из выше охарактеризованных аналогичных технических решений, заключается в обеспечении стабильного постоянного напряжения на нагрузке в более широком диапазоне выходных напряжений, при существенном уменьшении величины пульсирующей импульсной составляющей в выходном напряжении и в выходном токе.
Причиной невозможности достижения вышеуказанного технического результата является то, что в известных устройствах аналогичного назначения вопросам обеспечения стабильного постоянного напряжения на нагрузке в более широком диапазоне выходных напряжений при существенном уменьшении величины пульсирующей импульсной составляющей в выходном напряжении и в выходном токе должного внимания не уделялось, так как считалось, что достигнутые значения диапазона стабильного постоянного напряжения на нагрузке и величина пульсирующей импульсной составляющей в выходном напряжении и в выходном токе вполне удовлетворяют требованиям настоящего времени.
Учитывая характеристику и анализ известных аналогичных технических решений, можно сделать вывод, что задача создания устройств для получения стабильного постоянного напряжения на нагрузке в более широком диапазоне выходных напряжений, при существенном уменьшении величины пульсирующей импульсной составляющей в выходном напряжении и в выходном токе, является актуальной на сегодняшний день.
Технический результат, указанный выше, согласно первому варианту предлагаемого технического решения, достигается тем, что устройство для получения постоянного напряжения, содержащее источник постоянного напряжения, преобразователь постоянного напряжения в импульсное напряжение, подсоединенный своими входами к вьгходам источника постоянного напряжения, преобразователь импульсного напряжения в постоянное напряжение с положительным выводом, предназначенным для подсоединения к одному из выводов нагрузки, подсоединенный своими входами к выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение, регулирующий орган с первым входом, предназначенным для подсоединения к другому выводу нагрузки, пропорциональный регулятор, подсоединенный своим выходом к управляющему (второму)
входу регулирующего органа, задатчик выходного постоянного напряжения, подсоединенный своими соответствующими выводами к выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение, и схему управления, подсоединенную своим первым входом к выходу задатчика выходного постоянного напряжения и своим выходом к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение, снабжено узлом обратной связи, подсоединенным одним своим выводом к входу пропорционального регулятора и другим своим выводом к выходу регулирующего органа, при этом второй вход схемы управления подсоединен к первому входу регулирующего органа, предназначенному для подсоединения другого вывода нагрузки.
Введение узла обратной связи и его подсоединения, а также подсоединение второго входа схемы управления к первому входу регулирующего органа, предназначенному для подсоединения другого вывода нагрузки, согласно первому варианту предлагаемого технического решения, позволяют, в результате управления процессом преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение посредством сигнала управления, поступающего с выхода схемы управления, осуществить преобразование постоянного напряжения в импульсное и получить импульсное напряжение с определенной длительностью импульсов, которое поступает на входы преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение и после его соответствующего преобразования и фильтрации обеспечивает получение на его выходе выпрямленного напряжения.
Указанное выпрямленное напряжение поступает через нагрузку на первый вход регулирующего органа, вследствие чего через нагрузку и регулирующий орган протекает постоянный ток. С выхода регулирующего органа через узел обратной связи на вход пропорционального регулятора поступает напряжение обратной связи, пропорциональное току, протекающему через нагрузку. В пропорциональном регуляторе происходит сравнение напряжения обратной связи с напряжением задатчика выходного тока, в результате чего на выходе пропорционального регулятора формируется управляющее напряжение, которое поступает на второй (управляющий) вход регулирующего органа и обеспечивает протекание через нагрузку тока заданной величины, а также обеспечивает подавление пульсирующей импульсной составляющей тока в нагрузке (и, соответственно, напряжения на нагрузке) за счет действия глубокой отрицательной обратной связи.
Для установления требуемого уровня выходного напряжения на нагрузке, выпрямленное напряжение с нагрузки подается на задатчик выходного постоянного напряжения, с которого часть указанного выпрямленного напряжения подается на схему управления. В схеме управления в результате сравнения части указанного выпрямленного напряжения с опорным напряжением формируется сигнал управления, поступающий на управляющий вход преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение. В результате вышеописанного процесса управления преобразованием постоянного напряжения в импульсное напряжение и подачи импульсного напряжения, сформированного при преобразовании постоянного напряжения в импульсное напряжение, на вход преобразователя импульсного напряжения в постоянное, а также после соответствующего преобразования и фильтрации получают стабильное выпрямленное напряжение на нагрузке, значение которого определяется задатчиком выходного постоянного напряжения и может быть установлено в широких пределах, вплоть до сотен вольт и более.
Таким образом, обеспечивается стабильное постоянное напряжение на нагрузке в более широком диапазоне выходных напряжений, при существенном уменьшении величины пульсирующей импульсной составляющей в выходном напряжении и в выходном токе.
В чем и проявляется достижение вышеуказанного технического результата согласно первому варианту предлагаемого технического решения.
Технический результат, указанный выше, согласно второму варианту предлагаемого технического решения, достигается тем, что устройство для получения постоянного напряжения, содержащее источник постоянного напряжения, преобразователь постоянного напряжения в импульсное напряжение, подсоединенный своими входами к выходам источника постоянного напряжения, преобразователь импульсного напряжения в постоянное напряжение с положительным выводам, предназначенным для подсоединения к одному из выводов нагрузки, регулирующий орган с первым входом, предназначенным для подсоединения другого вывода нагрузки, пропорциональный регулятор, подсоединенный своим выходом к управляющему (второму) входу регулирующего органа, задатчик выходного постоянного напряжения, подсоединенный своими соответствующими выводами к выходам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение, и схему управления, подсоединенную своим первым входом к выходу задатчика выходного постоянного напряжения, снабжено узлом обратной связи, подсоединенным одним своим выводом к входу пропорционального регулятора, а другим своим выводом к выходу регулирующего органа, при этом выходы преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение подсоединены к входам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение через первый узел гальванической развязки, выход схемы управления подсоединен к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение через второй узел гальванической развязки, а второй вход схемы управления подсоединен к первому входу регулирующего органа, предназначенному для подсоединения другого вывода нагрузки.
Введение узла обратной связи, а также его подсоединения и подсоединение второго входа схемы управления к первому входу регулирующего органа, предназначенному для подсоединения другого вывода нагрузки, и подсоединение выходов преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение к входам преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение через первый узел гальванической развязки, так же, как и подсоединение выхода схемы управления к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение через второй узел гальванической развязки, согласно второму варианту предлагаемого технического решения, позволяют, в результате управления процессом преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение посредством сигнала управления, поступающего с выхода второго узла гальванической развязки (который обеспечивает передачу сигнала управления без электрического контакта между схемой управления и преобразователем постоянного напряжения в импульсное напряжение), и подачи импульсного напряжения, сформированного при преобразовании постоянного напряжения в импульсное напряжение, через первый узел гальванической развязки (который обеспечивает передачу импульсного напряжения без электрического контакта между преобразователем постоянного напряжения в импульсное напряжение и преобразователем импульсного напряжения в постоянное напряжение) на вход упомянутого преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение, осуществить преобразование постоянного напряжения в импульсное и получить импульсное напряжение с определенной длительностью импульсов, которое поступает на входы преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение и после его соответствующего преобразования и фильтрации обеспечивает получение на его выходе выпрямленного напряжения.
Указанное выпрямленное напряжение поступает через нагрузку на первый вход регулирующего органа, вследствие чего через нагрузку и регулирующий орган протекает постоянный ток. С выхода регулирующего органа через узел обратной связи на вход пропорционального регулятора поступает напряжение обратной связи, пропорциональное току, протекающему через нагрузку. В пропорциональном регуляторе происходит сравнение напряжения обратной связи с напряжением задатчика выходного тока, в результате чего на выходе пропорционального регулятора формируется управляющее напряжение, которое поступает на второй (управляющий) вход регулирующего органа и обеспечивает протекание через нагрузку тока заданной величины, а также обеспечивает подавление пульсирующей импульсной составляющей тока в нагрузке (и, соответственно, напряжения на нагрузке) за счет действия глубокой отрицательной обратной связи.
Для установления требуемого уровня выходного напряжения на нагрузке, выпрямленное напряжение с нагрузки подается на задатчик выходного постоянного напряжения, с которого часть указанного выпрямленного напряжения подается на схему управления. В схеме управления в результате сравнения части указанного выпрямленного напряжения с опорным напряжением формируется сигнал управления, поступающий через второй узел гальванической развязки (который обеспечивает передачу сигнала управления без электрического контакта между схемой управления и преобразователем постоянного напряжения в импульсное напряжение) на управляющий вход преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение. В результате вышеописанного процесса управления преобразованием постоянного напряжения в импульсное напряжение и подачи импульсного напряжения, сформированного при преобразовании постоянного напряжения в импульсное напряжение, через первый узел гальванической развязки (который обеспечивает передачу импульсного напряжения без электрического контакта между преобразователем постоянного напряжения в импульсное напряжение и преобразователем импульсного напряжения в постоянное напряжение) на вход преобразователя импульсного напряжения в постоянное напряжение, а также после соответствующего преобразования и фильтрации получают стабильное выпрямленное напряжение на нагрузке, значение которого определяется задатчиком выходного постоянного напряжения и может быть установлено в широких пределах, вплоть до сотен вольт и более.
Таким образом, обеспечивается стабильное постоянное напряжение на нагрузке в более широком диапазоне выходных напряжений, при существенном уменьшении величины пульсирующей импульсной составляющей в выходном напряжении и в выходном токе.
В чем и проявляется достижение вышеуказанного технического результата согласно второму варианту предлагаемого технического решения.
Проведенный анализ известных технических решений показал, что ни одно из них не содержит как всей совокупности существенных признаков каждого из вариантов предлагаемых технических решений, так и отличительных признаков, что позволило сделать вывод о наличии критериев патентоспособности "новизна" и "изобретательский уровень" предлагаемых для патентования вариантов устройств для получения постоянного напряжения.
Предлагаемые устройства для получения постоянного напряжения поясняются нижеследующими описаниями и чертежами, где на фиг. 1 и 2 представлены принципиальные схемы устройств для получения постоянного напряжения, а на фиг. 3 и 4 временные диаграммы напряжений на нагрузке, как заимствованные из описания к патенту США №6747420 В2 (прототип), так и полученные в результате испытаний второго варианта предлагаемого устройства для получения постоянного напряжения.
Предлагаемое устройство для получения постоянного напряжения, согласно первому варианту предлагаемого технического решения (см. фиг. 1) содержит:
- источник (1) постоянного напряжения, которое получают любым известным способом, например, с использованием двухполупериодной схемы выпрямления с фильтром;
- преобразователь (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение, выполненный, например, в виде генератора (3) прямоугольных импульсов постоянной частоты, подсоединенного одним своим выводом (4) (первый вход преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение) к положительному выводу (5) источника (1) постоянного напряжения и подсоединенный другим своим выводом (6) (второй вход преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение) к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения, источника (8) опорного напряжения, подсоединенного одним своим выводом (9) к положительному выводу (5) источника (1) постоянного напряжения и другим своим выводом (10) к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения, управляемого ключа (11), подсоединенного своим входом (12) к выходу (13) генератора (3) прямоугольных импульсов постоянной частоты, операционного усилителя (14), подсоединенного своим выходом (15) к управляющему входу (16) управляемого ключа (11) и своим инвертирующим ("-") входом (17) к выходу (18) источника (8) опорного напряжения, первого конденсатора (19), подсоединенного одной своей обкладкой (20) к выходу (21) управляемого ключа (11) и другой своей обкладкой (22) через выводы (23) и (24) первичной обмотки трансформатора (25) к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения, второго конденсатора (26), подсоединенного одной своей обкладкой (27) через выводы (28) и 29) вторичной обмотки трансформатора (25) к аноду (30) диода (31), подсоединенного своим катодом (32) к другой обкладке (33) второго конденсатора (26), резистора (34), подсоединенного одним своим выводом (35) к катоду (32) диода (31) и другим своим выводом (36) к аноду (30) диода (31), и "МОП"-транзистора (37), подсоединенного своим стоком (38) к положительному выводу (5) источника (1) постоянного напряжения, своим затвором (39) к катоду (32) диода (31) и своим истоком (40) к аноду (30) диода (31);
- преобразователь (41) импульсного напряжения в постоянное напряжение, выполненный, например, в виде диода (42), подсоединенного своим катодом (43), (первый вход преобразователя (41) импульсного напряжения в постоянное напряжение) к истоку (40) "МОП"-транзистора (37) (первый выход преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение), и своим анодом (44) (второй вход преобразователя (41) импульсного напряжения в постоянное напряжение) к второму (24) выводу первичной обмотки трансформатора (25) (второй выход преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение), дросселя (45), подсоединенного одним своим выводом (46) к катоду (43) диода (42), и конденсатора (47), подсоединенного одной своей обкладкой (48) к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения и другой своей обкладкой (49) к другому выводу (50) дросселя (45), являющемуся положительным выходом преобразователя (41) импульсного напряжения в постоянное напряжение, предназначенным для подсоединения к одному из выводов нагрузки;
- нагрузку (51), подсоединенную одним своим выводом (52) к другому выводу (50) дросселя (45) (к положительному выходу преобразователя (41) импульсного напряжения в постоянное напряжение);
- регулирующий орган (53), выполненный, например, в виде управляемого транзистора (54), подсоединенного своим коллектором (55) (являющимся первым входом регулирующего органа (53), предназначенным для подсоединения другого вывода (56)нагрузки (51)) к другому выводу нагрузки (51) и подсоединенного своим эмиттером (57) через измерительный резистор (58) к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения;
- пропорциональный регулятор (59), выполненный, например, в виде источника (60) постоянного напряжения, первого резистора (61), подсоединенного одним своим выводом (62) к положительному выводу (63) источника (60) постоянного напряжения, второго (переменного) резистора (64), подсоединенного одним своим выводом (65) к другому выводу (66) первого резистора (61), третьего резистора (67), подсоединенного одним своим выводом (68) к другому выводу (69) второго (переменного) резистора (64) и другим своим выводом (70) к отрицательному выводу (71) источника (60) постоянного напряжения, а также к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения, и операционного усилителя (72). подсоединенного своим неинвертирующим ("+") входом (73) к третьему выводу (74) второго (переменного) резистора (64), своим инвертирующим ("-") входом (75) (через резистор (76)) к положительному выводу (77) источника (78) опорного напряжения, и своим выходом (79) (выход пропорционального регулятора (59)) к базе (80) управляемого транзистора (54) (второй вход регулирующего органа (53)), при этом отрицательный (81) вывод источника (78) опорного напряжения подсоединен к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения;
- узел (82) обратной связи, выполненный в виде резистора и подсоединенный одним своим выводом (83) к входу пропорционального регулятора (59) (к инвертирующему ("-") входу (75) операционного усилителя (72)) и другим своим выводом (84) к выводу (57) эмиттера управляемого транзистора (54) (выход регулирующего органа (53));
- задатчик (85) выходного постоянного напряжения, выполненный, например, в виде первого (переменного) резистора (86), подсоединенного одним своим выводом (87) к выводу (50) дросселя (45) преобразователя (41) импульсного напряжения в постоянное напряжение, второго резистора (88), подсоединенного одним своим выводом (89) к другому выводу (90) и третьему выводу (91) первого (переменного) резистора (86), и подсоединенного другим своим выводом (92) к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения;
- схему (93) управления, выполненную, например. в виде первого операционного усилителя (94), подсоединенного своим неинвертирующим ("+") входом (95) к положительному выводу (96) первого источника (97) опорного напряжения, и своим инвертирующим ("-") входом (98) (первый вход схемы управления (93) к выводу (91) первого (переменного) резистора (86) (выход задатчика (85) выходного постоянного напряжения), второго операционного усилителя (99), подсоединенного своим неинвертирующим ("+") входом (100) к положительному выводу (101) второго источника (102) опорного напряжения, и подсоединенного своим инвертирующим ("-") входом (103) (второй вход схемы (93) управления) к коллектору (55) управляемого транзистора (54) (первый вход регулирующего органа (53). предназначенный для подсоединения другого вывода нагрузки (51)), сумматора (104), подсоединенного своим первым входом (105) к выходу (106) первого операционного усилителя (94), и подсоединенного своим вторым входом (107) к выходу (108) второго операционного усилителя (99), и подсоединенного
своим выходом (109) (выход схемы (93) управления), к управляющему входу (110) преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение, который является неинвертирующим ("+") входом операционного усилителя (14), при этом отрицательный вывод (111) первого источника (97) опорного напряжения и отрицательный вывод (112) второго источника (102) опорного напряжения присоединены к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения.
Предлагаемое устройство для получения постоянного напряжения, согласно первому варианту (см. фиг. 1), работает следующим образом.
При поступлении постоянного напряжения с выводов (5) и (7) источника (1) постоянного напряжения на соответствующие входы (4) и (6) генератора (3) прямоугольных импульсов постоянной частоты (входы преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение), генератор (3) прямоугольных импульсов постоянной частоты вырабатывает прямоугольные импульсы постоянной частоты, которые поступают с выхода (13) генератора (3) прямоугольных импульсов постоянной частоты на «информационный» вход (12) управляемого ключа (11), и при замкнутых контактах управляемого ключа (11) прямоугольные импульсы постоянной частоты поступают с его выхода (21) по цепи: первый конденсатор (19) -первичная обмотка (выводы (23) и (24)) трансформатора (25) - вторичная обмотка (выводы (28) и (29)) трансформатора (25) - второй конденсатор (26) и параллельно включенные диод (31) и резистор (34) на затвор (39) и исток (40) МОП"-транзистора (37).
В результате "МОП"-транзистор (37) преобразует постоянное напряжение, поступающее с вывода (5) источника (1) постоянного напряжения на сток (38) МОП"-транзистора (37), в импульсное напряжение, и ли импульсы поступают с истока (40) "МОП"-транзистора (37) на первый вход преобразователя (41) импульсного напряжения в постоянное напряжение (на вывод (46) дросселя (45)), на выходе которого (вывод (50) дросселя (45)), после соответствующего преобразования (диод (42) и фильтрации (дроссель (45) и конденсатор (47)) начинает расти постоянное напряжение.
После появления постоянного напряжения на выходе преобразователя (41) импульсного напряжения в постоянное напряжение (вывод (50) дросселя (45)), оно поступает на первый вывод (52) нагрузки (51).
Полученное постоянное напряжение поступает также на первый вывод (87) переменного резистора (86), являющийся входом задатчика (85) постоянного выходного напряжения.
Часть этого напряжения, которая определяется положением движка первого (переменного) резистора (86), с выхода задатчика (85) выходного постоянного напряжения (с вывода (91) резистора (86)) поступает на инвертирующий ("-") вход (98) первого операционного усилителя (94) (на первый вход схемы (93) управления), на неинвертирующий ("+") вход (95) которого поступает напряжение с положительного вывода (96) первого источника (97) опорного напряжения. В результате сравнения этих напряжений на выходе (106) первого операционного усилителя (94) формируется управляющее напряжение, которое с выхода (106) первого операционного усилителя (94) поступает на первый вход (105) сумматора (104) схемы (93) управления.
С выхода (109) сумматора (104) схемы управления (93) указанное управляющее напряжение поступает на управляющий вход преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение (на неинвертирующий (110) вход ("+") операционного усилителя (14)).
Поступившее на неинвертирующий (110) вход ("+") операционного усилителя (14) управляющее напряжение сравнивается с напряжением источника (8) опорного напряжения, поступающим с его выхода (18) на инвертирующий ("-") вход (17) операционного усилителя (14). Напряжение, полученное в результате сравнения, поступает с выхода (15) операционного усилителя (14) на управляющий вход (16) управляемого ключа (11), который замыкает или размыкает свои контакты и тем самым меняет скважность импульсов, поступающих на затвор (39) "МОП"-транзистора (37) преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение по цепи: первый конденсатор (19) - первичная обмотка трансформатора (25) -вторичная обмотка трансформатора (25) - второй конденсатор (26) и параллельно включенные диод (31) и резистор (34).
При увеличении напряжения на нагрузке (51) свыше заданного значения, на выводе (91) резистора (86) (выход задатчика (85) выходного постоянного напряжения) формируется растущее постоянное напряжение, при этом после его сравнения с напряжением первого источника (97) опорного напряжения схемы управления (93) на выходе операционного усилителя (94) формируется уменьшающееся управляющее напряжение, которое через сумматор (104) поступает на неинвертирующий (110) вход ("+") операционного усилителя (14) преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение). В результате сравнения уменьшающегося управляющего напряжения с напряжением источника (8) опорного напряжения, на управляющий вход (16) управляемого ключа (11) воздействует напряжение логического нуля, из-за чего контакты управляемого ключа (11) размыкаются. Поэтому увеличивается скважность прямоугольных импульсов постоянной частоты, проходящих по цепи: первый конденсатор (19) - первичная обмотка трансформатора (25) - вторичная обмотка трансформатора (25) - второй конденсатор (26) и параллельно включенные диод (31) и резистор (34) - на затвор (39) МОП"-транзистора (37), благодаря чему после поступления их с истока (40) МОП"-транзистора (37) на вход преобразователя (41) импульсного напряжения в постоянное напряжение (вывод (46) дросселя (50) и их преобразования в постоянное напряжение, постоянное напряжение на нагрузке (51) уменьшается до заданной величины.
При уменьшении напряжения на нагрузке (51) ниже заданного значения, все управляющие напряжения формируются с противоположными знаками, благодаря чему контакты управляемого ключа (11) замыкаются, скважность прямоугольных импульсов постоянной частоты увеличивается, и постоянное напряжение на нагрузке (51) увеличивается до заданной величины.
Таким образом, постоянное напряжение на нагрузке (51) стабилизируется (с небольшими пульсациями) на уровне заданной величины, которая определяется задатчиком (85) выходного постоянного напряжения и может быть установлено в широких пределах, вплоть до сотен вольт и более.
При поступлении на нагрузку (51) выпрямленного напряжения с выхода преобразователя (41) импульсного напряжения в постоянное напряжение (вывод (50) дросселя (45)), через нагрузку (51) и последовательно с ней включенные управляемый транзистор (54) и измерительный резистор (58) регулирующего органа (53) течет ток нагрузки, создавая на измерительном резисторе (58) падение напряжения. Указанное падение напряжения через узел обратной связи (82) поступает на инвертирующий ("-") вход (75) операционного усилителя (72) пропорционального регулятора (59) и суммируется с напряжением источника (78) опорного напряжения пропорционального регулятора (59). которое поступает через четвертый резистор (76) пропорционального регулятора (59) на тот же инвертирующий ("-") вход (75) операционного усилителя (72). На неинвертирующий ("+") вход (73) операционного усилителя (72) пропорционального регулятора (59) с вывода (74) второго (переменного) резистора (64) пропорционального регулятора (59) поступает напряжение с задатчика выходного тока пропорционального регулятора (59) (полученное в результате деления напряжения источника (60) постоянного напряжения между первым (61), вторым (переменным) (64) и третьим (67) резисторами задатчика выходного тока пропорционального регулятора (59)). В результате сравнения напряжений на неинвертирующем ("+") входе (73) и инвертирующем ("-") входе (75) операционного усилителя (72), на выходе (79) операционного усилителя (72) формируется управляющее напряжение отрицательной обратной связи, которое поступает на базу (80) управляемого транзистора (54) (второй вход регулирующего органа (53)).
При увеличении тока, протекающего через нагрузку (51), увеличивается падение напряжения на измерительном резисторе (58) регулирующего органа (53). При этом возрастает уровень напряжения на инвертирующем ("-") входе (75) операционного усилителя (72) пропорционального регулятора (59) и, соответственно, уменьшается управляющее напряжение на выходе (79) операционного усилителя (72) пропорционального регулятора (59), которое поступает на базу (80) управляемого транзистора (54) (вход регулирующего органа (53)) и уменьшает ток через управляемый транзистор (54), благодаря чему обеспечивается подавление пульсирующей импульсной составляющей тока в нагрузке (51).
При уменьшении тока, протекающего через нагрузку (51), падение напряжения на измерительном резисторе (58) регулирующего органа (53) уменьшается, и, соответственно, управляющее напряжение на выходе (79) операционного усилителя (72) пропорционального регулятора (59) увеличивается, благодаря чему ток через управляемый транзистор (54) и через нагрузку (51) увеличивается до заданной величины. При этом также обеспечивается подавление пульсирующей импульсной составляющей в выходном токе и в выходном напряжении.
При увеличении на неинвертирующем ("+") входе (73) операционного усилителя (72) пропорционального регулятора (59) величины постоянного напряжения (которое поступает с вывода (74) второго (переменного) резистора (64) задатчика выходного тока и формируется - благодаря перемещению движка второго (переменного) резистора (64) - в результате протекания постоянного тока по цепи: положительный вывод (63) источника (60) постоянного напряжения, первый резистор (61), второй (переменный) резистор (64), третий резистор (67), отрицательный вывод (71) источника (60) постоянного напряжения), управляющее напряжение на выходе (79) операционного усилителя (72) пропорционального регулятора (59) будет также увеличиваться. При поступлении этого растущего управляющего напряжения на базу (80) управляемого транзистора (54) (второй вход регулирующего органа (53)) увеличивается ток через управляемый транзистор (54), а, следовательно, и через нагрузку (51), и через измерительный резистор (58) регулирующего органа (53). При этом растущее управляющее напряжение с измерительного резистора (58) (с выхода регулирующего органа (53)) через узел обратной связи (82) поступает на инвертирующий ("-") вход (75) операционного усилителя (72) пропорционального регулятора (59), и увеличивается до тех пор, пока напряжение на инвертирующем ("-") входе (75) операционного усилителя (72) не станет равным напряжению на неинвертирующем ("+") входе (73) операционного усилителя (72). поступающему с задатчика выходного тока. А это произойдет при возросшем токе нагрузки, величина которого будет определяться величиной постоянного напряжения, которое поступает с вывода (74) второго (переменного) резистора (64) задатчика выходного тока.
Таким образом, постоянный ток через нагрузку (51) стабилизируется (за счет действия отрицательной обратной связи через узел обратной связи (82)), с небольшими пульсациями, на уровне величины, заданной задатчиком выходного тока.
При протекании тока через нагрузку (51) и последовательно с ней включенные управляемый транзистор (54) и измерительный резистор (58) регулирующего органа (53), на переходе коллектор (55) - эмиттер (57) управляемого транзистора (54) рассеивается мощность, пропорциональная току через управляемый транзистор (54) и падению напряжения на указанном переходе. Напряжение с коллектора (55) управляемого транзистора (54) поступает на инвертирующий ("-") вход (103) второго операционного усилителя (99) схемы управления (93), на неинвертирующий ("+") вход (100) которого поступает напряжение с второго источника (102) опорного напряжения схемы управления (93). В результате сравнения этих напряжений на выходе (108) второго операционного усилителя (99) формируется управляющее напряжение, которое поступает на второй вход (107) сумматора (104) схемы управления (93).
С выхода (109) сумматора (104) (с выхода схемы управления (93)) указанное управляющее напряжение поступает на управляющий вход преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение (на неинвертирующий (110) вход ("+") операционного усилителя (14)).
Управляющее напряжение, поступившее на неинвертирующий (110) вход ("+") операционного усилителя (14). сравнивается с напряжением источника (8) постоянного напряжения, поступающим с его выхода (1 8) на инвертирующий ("+") вход (17) операционного усилителя (14). Напряжение, полученное в результате сравнения, поступает с выхода (15) операционного усилителя (14) на управляющий вход (16) управляемого ключа (11). который замыкает или размыкает свои контакты и тем самым меняет скважность импульсов, поступающих на затвор (39) "МОП"-транзистора (37) преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение.
При увеличении падении напряжения на переходе коллектор (55) -эмиттер (57) управляемого транзистора (54) свыше заданного значения, после его сравнения с напряжением второго (102) источника опорного напряжения схемы управления (93), на выходе операционного усилителя (99) формируется уменьшающееся управляющее напряжение, которое через сумматор (104) поступает на неинвертирующий (110) вход ("+") операционного усилителя (14). В результате сравнения уменьшающегося управляющего напряжения с напряжением источника (8) опорного напряжения, на управляющий вход (16) управляемого ключа (11) воздействует напряжение логического нуля, из-за чего контакты управляемого ключа (11) размыкаются. Поэтому увеличивается скважность прямоугольных импульсов постоянной частоты, проходящих по цепи: первый конденсатор (19) - первичная обмотка трансформатора (25) - вторичная обмотка трансформатора (25) - второй конденсатор (26) и параллельно включенные диод (31) и резистор (34) - на затвор (39) МОП"-транзистора (37), благодаря чему после поступления их с истока (40) МОП"-транзистора (37) на вход преобразователя (41) импульсного напряжения в постоянное напряжение (вывод (46) дросселя (45) и их преобразования в постоянное напряжение, падение напряжения на переходе коллектор (55)-эмиттер (57) управляемого транзистора (54) регулирующего органа (53) уменьшается до заданной величины, которая является минимально возможной для обеспечения работоспособности управляемого транзистора (54). При этом мощность, рассеиваемая на переходе коллектор (55) - эмиттер (57) управляемого транзистора (54), является минимально возможной при заданном токе нагрузки.
Таким образом, постоянное напряжение на переходе коллектор (55) -эмиттер (57) управляемого транзистора (54) стабилизируется на уровне, который является минимально возможным для обеспечения работоспособности управляемого транзистора (54). и который определяется напряжением второго источника (102) опорного напряжения, входящего в состав схемы управления (93), что обеспечивает минимальную мощность рассеивания на переходе коллектор (55) - эмиттер (57) управляемого транзистора (54), т.е минимальные энергетические потери.
Следовательно, предлагаемое устройство для получения постоянного напряжения, согласно первому варианту предлагаемого технического решения, за счет введения отрицательной обратной связи между регулирующим органом и пропорциональным регулятором, обеспечивает стабильное постоянное напряжение на нагрузке в более широком диапазоне выходных напряжений, при существенном уменьшении величины пульсирующей импульсной составляющей в выходном напряжении и в выходном токе, а также при минимальных энергетических потерях.
Предлагаемое устройство для получения постоянного напряжения, согласно второму варианту предлагаемого технического решения (см. фиг. 2) содержит:
- источник (1) постоянного напряжения, которое получают любым известным способом, например, с использованием двухполупериодной схемы выпрямления с фильтром;
- преобразователь (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение, выполненный, например, в виде генератора (3) прямоугольных импульсов постоянной частоты, подсоединенного одним своим выводом (4) (первый вход преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение) к положительному выводу (5) источника (1) постоянного напряжения и другим своим выводом (6) (второй вход преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение) к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения, источника (8) опорного напряжения, подсоединенного одним своим выводом (9) к положительному выводу (5) источника (1) постоянного напряжения и другим своим выводом (10) к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения, управляемого ключа (11), подсоединенного своим входом (12) к выходу (13) генератора (3) прямоугольных импульсов постоянной частоты, операционного усилителя (14), подсоединенного своим выходом (15) к управляющему входу (16) управляемого ключа (11) и своим неинвертирующим ("+") входом (17) к выходу (18) источника (8) опорного напряжения, и "МОП"-транзистора (19), подсоединенного своим затвором (20) к выходу (21) управляемого ключа (11) и подсоединенного своим истоком (22) через резистор (23) к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения;
- первый узел гальванической развязки, выполненный, например, в виде трансформатора (24), подсоединенного одним выводом (25) своей первичной обмотки к стоку (26) МОП"-транзистора (19) и другим выводом (27) своей первичной обмотки к положительному выводу (5) источника (1) постоянного напряжения;
- преобразователь (28) импульсного напряжения в постоянное напряжение, выполненный, например, в виде диода (29), подсоединенного своим анодом (30) (вход преобразователя (28) импульсного напряжения в постоянное напряжение) к одному из выводов (31) вторичной обмотки трансформатора (24) первого узла гальванической развязки, конденсатора (32), подсоединенного одной своей обкладкой (33) к катоду (34) диода (29) (причем катод (34) диода (29) является положительным выводом преобразователя (28) импульсного напряжения в постоянное напряжение, предназначенным для подсоединения к одному из выводов нагрузки) и подсоединенного другим своим выводом (35) к другому выводу (36) вторичной обмотки трансформатора (24) первого узла гальванической развязки и к корпусу (общей точке соединения конструктивных элементов выходной части устройства, гальванически развязанной от входной части);
- нагрузку (37), подсоединенную одним своим выводом (38) к положительному выводу (катод (34) диода (29)) преобразователя (28) импульсного напряжения в постоянное напряжение, предназначенному для подсоединения одного из выводов (38) нагрузки (37);
- регулирующий орган (39), выполненный, например, в виде управляемого транзистора (40), подсоединенного своим коллектором (41) (первый вход регулирующего органа (39), предназначенный для подсоединения к другому выводу (42) нагрузки (37)), измерительного резистора (43), подсоединенного одним своим выводом (44) к эмиттеру (45) транзистора (40) и другим своим выводом (46) к корпусу (общей точке соединения конструктивных элементов выходной части устройства, гальванически развязанной от входной части);
- задатчик (47) выходного постоянного напряжения, выполненный, например, в виде первого (переменного) резистора (48), подсоединенною одним своим выводом (49) к положительному выводу (катоду (34) диода (29)) преобразователя (28) импульсного напряжения в постоянное напряжение, предназначенному для подсоединения одного из выводов (38) нагрузки (37), второго резистора (51), подсоединенного одним своим выводом (52) к другому выводу (53) и третьему выводу (50) первого (переменного) резистора (48), и подсоединенного другим своим выводом (54) к корпусу (общей точке соединения конструктивных элементов выходной части устройства, гальванически развязанной от входной части);
- пропорциональный регулятор (55), выполненный, например. в виде источника (56)постоянного напряжения, первого резистора (57), подсоединенного одним своим выводом (58) к положительному выводу (59) источника (56)постоянного напряжения, второго (переменного) резистора (60), подсоединенного одним своим выводом (61) к другому выводу (62) первого резистора (57), третьего резистора (63), подсоединенного одним своим выводом (64) к другому выводу (65) второго (переменного) резистора (60) и другим своим выводом (66) к отрицательному выводу (67) источника (56)постоянного напряжения, и операционного усилителя (68). подсоединенного своим неинвертирующим ("+") входом (69) к третьему выводу (70) второго (переменного) резистора (60). своим инвертирующим ("-") входом (71) к положительному выводу (72) источника (73) опорного напряжения (через резистор (74)), и подсоединенного своим выходом (75) (выход пропорционального регулятора (55)) к базе (76) управляемого транзистора (40) (второй вход регулирующего органа (39)), причем отрицательный вывод (77) источника (73) опорного напряжения подсоединен к корпусу (общей точке соединения конструктивных элементов выходной части устройства, гальванически развязанной от входной части);
- узел (78) обратной связи, выполненный в виде резистора и подсоединенный одним своим выводом (79) к входу пропорционального регулятора (55) (к инвертирующему ("-") входу (71) операционного усилителя (68)) и друг им своим выводом (80) к вьгводу (45) эмиттера управляемого транзистора (40) (выход регулирующего органа (39));
- схему (81) управления, выполненную, например, в виде первого операционного усилителя (82), подсоединенного своим неинвертирующим ("+") входом (83) к положительному выходу (84) первого источника (85) опорного напряжения и своим инвертирующим ("-") входом (86) (первый вход схемы (81) управления) к выходу задатчика (47) выходного постоянного напряжения (к выводу (50) первого (переменного) резистора (48) задатчика (47) выходного постоянного напряжения), второго операционного усилителя (87), подсоединенного своим неинвертирующим ("+") входом (88) к положительному выводу (89) второго источника (90) опорного постоянного напряжения и подсоединенного своим инвертирующим ("-") входом (91) (второй вход схемы (81) управления) к коллектору (41) управляемого транзистора (40) (первый вход регулирующего органа (39), предназначенньгй для подсоединения другого вывода (42) нагрузки (37)), сумматора (92), подсоединенного своим первым входом (93) к выходу (94) первого операционного усилителя (82). и подсоединенного своим вторьгм входом (95) к выходу (96) второго операционного усилителя (87), при этом отрицательный вывод (107) первою источника (85) опорного напряжения и отрицательный вывод (108) второго источника (90) опорного напряжения присоединены к корпусу (общей точке соединения конструктивных элементов выходной части устройства, гальванически развязанной от входной части), а выход (97) сумматора (92) является выходом схемы управления (81);
- второй узел (98) гальванической развязки, выполненный, например, в виде светоизлучающего полупроводникового диода (99). подсоединенного своим анодом (100) (вход второго узла (98) гальванической развязки) к выходу (97) сумматора (92) схемы управления (81) и своим катодом (101) к корпусу (общей точке соединения конструктивных элементов выходной части устройства, гальванически развязанной от входной части), и фототранзистора (102), подсоединенного одним своим выводом (103) к отрицательному выводу (7) источника (1) постоянного напряжения, и подсоединенного другим своим выводом (104) через резистор (105) к положительному выводу (5) источника (1) постоянного напряжения, а также к управляющему входу преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение, т.е. к инвертирующему (106) входу ("-") операционного усилителя (14) преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение.
Предлагаемое устройство для получения постоянного напряжения, согласно второму варианту (см. фиг. 2), работает следующим образом.
При поступлении постоянного напряжения с выводов (5) и (7) источника (1) постоянного напряжения на соответствующие входы (4) и (6) генератора (3) прямоугольных импульсов постоянной частоты (входы преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение), генератор (3) прямоугольных импульсов постоянной частоты вырабатывает прямоугольные импульсы постоянной частоты, которые поступают с выхода (13) генератора (3) прямоугольных импульсов постоянной частоты на «информационный» вход (12) управляемого ключа (11). и при замкнутых контактах управляемого ключа (11) прямоугольные импульсы постоянной частоты поступают с его выхода (21) на затвор (20) МОП"-гранзистора (19) и с его стока (26) на вывод (25) первичной обмотки трансформатора (24) первого узла гальванической развязки.
При появлении прямоугольных импульсов постоянной частоты на выводах (31, 36) вторичной обмотки трансформатора (24) первого узла гальванической развязки и поступлении их на входы (на анод (30) диода (29) и на обкладку (35) конденсатора (32)) преобразователя (28) импульсного напряжения в постоянное напряжение, происходит их преобразование в постоянное напряжение. После появления постоянного напряжения на положительном выходе (катод (34) диода (29)) преобразователя (28) импульсного напряжения в постоянное напряжение), оно поступает на первый вывод (38) нагрузки (37) и на первый вывод (49) переменного резистора (48), являющийся входом задатчика (47) выходного постоянного напряжения.
Часть этого напряжения, которая определяется положением движка первого (переменного) резистора (48), с выхода задатчика (47) выходного постоянного напряжения (с вывода (50) резистора (48)) поступает на инвертирующий ("-") вход (86) первого операционного усилителя (82) (на первый вход схемы (81) управления), на неинвертирующий ("+") вход (83) которого поступает напряжение с положительного вывода (84) первого источника (85) опорного напряжения. В результате сравнения этих напряжений на выходе (94) первого операционного усилителя (82) формируется управляющее напряжение, которое с выхода (94) первого операционного усилителя (82) поступает на первый вход (93) сумматора (92) схемы управления (81).
С выхода (97) сумматора (92) схемы управления (81) через второй (98) узел гальванической развязки указанное управляющее напряжение поступает на управляющий вход преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение (на инвертирующий (106) вход ("-") операционного усилителя (14)).
Поступившее на инвертирующий (106) вход ("-") операционного усилителя (14) управляющее напряжение сравнивается с напряжением источника (8) опорного напряжения, поступающим с его выхода (18) на неинвертирующий ("+") вход (17) операционного усилителя (14). Напряжение, полученное в результате сравнения, поступает с выхода (15) операционного усилителя (14) на управляющий вход (16) управляемого ключа (11), который замыкает или размыкает свои контакты, и тем самым меняет скважность импульсов, поступающих на затвор (20) "МОП"-транзистора (19) преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение.
При увеличении напряжения на нагрузке (37) свыше заданного значения, на выводе (50) резистора (48) (выход задатчика (47) выходного постоянного напряжения) формируется растущее постоянное напряжение, при этом после его сравнения с напряжением первого источника (85) опорного напряжения схемы (81) управления на выходе (94) операционного усилителя (82) формируется уменьшающееся управляющее напряжение, которое поступает на второй (98) узел гальванической развязки. На выходе (104) второго (98) узла гальванической развязки при этом формируется растущее управляющее напряжение, которое поступает на инвертирующий (106) вход ("-") операционного усилителя (14) преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение. В результате сравнения уменьшающегося управляющего напряжения с напряжением источника (8) опорного напряжения (вывод 18), на управляющий вход (16) управляемого ключа (11) воздействует напряжение логического нуля, из-за чего контакты управляемого ключа (И) размыкаются. Поэтому увеличивается скважность прямоугольных импульсов постоянной частоты на выводах (31, 36) вторичной обмотки трансформатора (24) первого узла гальванической развязки, и после поступления их на входы преобразователя (28) импульсного напряжения в постоянное напряжение и их преобразования в постоянное напряжение, постоянное напряжение на нагрузке (37) уменьшается.
При уменьшении напряжения на нагрузке (37) ниже заданного значения все управляющие напряжения формируются с противоположными знаками, благодаря чему контакты управляемого ключа (11) замыкаются, скважность прямоугольных импульсов постоянной частоты на выводах (31, 36) вторичной обмотки трансформатора (24) первого узла гальванической развязки уменьшается, и постоянное напряжение на нагрузке (37) увеличивается до заданной величины.
Таким образом, постоянное напряжение на нагрузке (37) стабилизируется (с небольшими пульсациями) на уровне заданной величины, которая определяется задатчиком (47) выходного постоянного напряжения и может быть установлено в широких пределах, вплоть до сотен вольт и более.
При поступлении на нагрузку (37) выпрямленного напряжения с положительного вывода преобразователя (28) импульсного напряжения в постоянное напряжение (катод (34) диода (29)), через нагрузку (37) и последовательно с ней включенные управляемый транзистор (40) и измерительный резистор (43) регулирующего органа (39) течет ток нагрузки, создавая на измерительном резисторе (43) падение напряжения. Указанное падение напряжения через узел обратной связи (78) поступает на инвертирующий ("-") вход (71) операционного усилителя (68) пропорционального регулятора (55) и суммируется с напряжением источника (73) опорного напряжения пропорционального регулятора (55), которое поступает через четвертый резистор (74) пропорционального регулятора (55) на тот же инвертирующий ("-") вход (71) операционного усилителя (68). На неинвертирующий ("+") вход (69) операционного усилителя (68) пропорционального регулятора (55) с вывода (70) второго (переменного) резистора (60) пропорционального регулятора (55) поступает напряжение с задатчика выходного тока пропорционального регулятора (55) (полученное в результате деления напряжения источника (56)постоянного напряжения между первым (57), вторым (переменным) (60) и третьим (63) резисторами задатчика выходного тока пропорционального регулятора (55)). В результате сравнения напряжений на неинвертирующем ("+") входе (69) и инвертирующем ("-") входе (71) операционного усилителя (68) на выходе (75) операционного усилителя (68) формируется управляющее напряжение отрицательной обратной связи, которое поступает на базу (76) управляемого транзистора (40) (второй вход регулирующего органа (39)).
При увеличении тока, протекающего через нагрузку (37), увеличивается падение напряжения на измерительном резисторе (43) регулирующего органа
(39). При этом возрастает уровень напряжения на инвертирующем ("-") входе (71) операционного усилителя (68) пропорционального регулятора (55) и, соответственно, уменьшается управляющее напряжение на выходе (75) операционного усилителя (68) пропорционального регулятора (55). которое поступает на базу (76) управляемого транзистора (40) (второй вход регулирующего органа (39)) и уменьшает ток через управляемый транзистор
(40), благодаря чему обеспечивается подавление пульсирующей импульсной составляющей тока в нагрузке (37).
При уменьшении тока, протекающего через нагрузку (37), падение напряжения на измерительном резисторе (43) регулирующего органа (39) уменьшается, и, соответственно, управляющее напряжение на выходе (75) операционного усилителя (68) пропорционального регулятора (55) увеличивается, благодаря чему ток через управляемый транзистор (40) и через нагрузку (37) увеличивается до заданной величины. При этом также обеспечивается подавление пульсирующей импульсной составляющей тока в выходном токе и в выходном напряжении.
При увеличении на неинвертирующем ("+") входе (69) операционного усилителя (68) пропорционального регулятора (55) величины постоянного напряжения (которое поступает с выхода (70) второго (переменного) резистора (60) задатчика выходного тока и формируется - благодаря перемещению движка второго (переменного) резистора (60) - в результате протекания постоянного тока по цепи: положительный вывод (59) источника (56)постоянного напряжения, первый резистор (57), второй (переменный) резистор (60), третий резистор (63). отрицательный вывод (67) источника (56)постоянного напряжения)), управляющее напряжение на выходе (75) операционного усилителя (68) пропорционального регулятора (55) будет также увеличиваться. При поступлении этого растущего управляющего напряжения на базу (76) управляемого транзистора (40) (второй вход регулирующего органа (39)) увеличивается ток через управляемый транзистор (40), а, следовательно, и через нагрузку (37), и через измерительный резистор (43) регулирующего органа (39). При этом растущее напряжение с измерительного резистора (43) (с выхода регулирующего органа (39)) через узел обратной связи (78) поступает на инвертирующий ("-") вход (71) операционного усилителя (68) пропорционального регулятора (55). и увеличивается до тех пор, пока напряжение на инвертирующем ("-") входе (71) операционного усилителя (68) не станет равным напряжению на неинвертирующем ("+") входе (69) операционного усилителя (68), поступающему с задатчика выходного тока. А это произойдет при возросшем токе нагрузки, величина которого будет определяться величиной постоянного напряжения, которое поступает с вывода (70) второго (переменного) резистора (60) задатчика выходного тока.
Таким образом, постоянный ток через нагрузку (37) стабилизируется (за счет действия отрицательной обратной связи через узел обрат ной связи (78)), с небольшими пульсациями, на уровне величины, заданной задатчиком выходного тока.
При протекании тока через нагрузку (37) и последовательно с ней включенные управляемый транзистор (40) и измерительный резистор (43) регулирующего органа (39), на переходе коллектор (41) - эмиттер (45) управляемого транзистора (40) рассеивается мощность, пропорциональная току через управляемый транзистор (40) и падению напряжения на указанном переходе. Напряжение с коллектора (41) управляемого транзистора (40) поступает на инвертирующий ("-") вход (91) второго операционного усилителя (87) (второй вход схемы (81) управления), на неинвертирующий ("+") вход (88) которого поступает напряжение с положительного вывода (89) второго источника (90) опорного напряжения. В результате сравнения этих напряжений на выходе (96) второго операционного усилителя (87) формируется управляющее напряжение, которое с выхода (96) второго операционного усилителя (87) поступает на второй вход (95) сумматора (92) схемы управления (81).
С выхода (97) сумматора (92) (с выхода схемы управления (81)) через второй (98) узел гальванической развязки указанное управляющее напряжение поступает на управляющий вход преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение (на инвертирующий (106) вход ("-") операционного усилителя (14)).
Поступившее на инвертирующий (106) вход ("-") операционного усилителя (14) управляющее напряжение сравнивается с напряжением источника (8) постоянного напряжения, поступающим с его выхода (18) на неинвертирующий ("+") вход (17) операционного усилителя (14). Напряжение, полученное в результате сравнения, поступает с выхода (15) операционного усилителя (14) на управляющий вход (16) управляемого ключа (11), который замыкает или размыкает свои контакты и тем самым меняет скважность импульсов, поступающих на затвор (20) "МОП"-транзистора (19) преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение.
При увеличении падения напряжения на переходе коллектор (41) - эмиттер (45) управляемого транзистора (40) свыше заданного значения, после его сравнения с напряжением второго источника (90) опорного напряжения, на выходе (96) операционного усилителя (87) формируется уменьшающееся управляющее напряжение, которое поступает на второй (98) узел гальванической развязки. На выходе (104) второго (98) узла гальванической развязки при этом формируется растущее управляющее напряжение, которое поступает на инвертирующий (106) вход ("-") операционного усилителя (14) преобразователя (2) постоянного напряжения в импульсное напряжение.
В результате сравнения растущего управляющего напряжения с напряжением на выводе (18) источника (8) опорного напряжения, на управляющий вход (16) управляемого ключа (11) воздействует напряжение логического нуля, из-за чего контакты управляемого ключа (11) размыкаются. Поэтому увеличивается скважность прямоугольных импульсов постоянной частоты на выводах (31, 36) вторичной обмотки трансформатора (24) первого узла гальванической развязки, и после поступления их на входы преобразователя (28) импульсного напряжения в постоянное напряжение и их преобразования в постоянное напряжение, падение напряжение на переходе коллектор (41) - эмиттер (45) управляемого транзистора (40) уменьшается до заданной величины, которая является минимально возможной для обеспечения работоспособности управляемого транзистора (40). При этом мощность, рассеиваемая на переходе коллектор (41) - эмиттер (45) управляемого транзистора (40), является минимально возможной при заданном токе нагрузки.
Таким образом, постоянное напряжение на переходе коллектор (41) -эмиттер (45) управляемого транзистора (40) стабилизируется на уровне, который является минимально возможным для обеспечения работоспособности управляемого транзистора (40), и который определяется напряжением второго источника (90) опорного напряжения, входящего в состав схемы управления (81), что обеспечивает минимальную мощность рассеивания на переходе коллектор (41) - эмиттер (45) управляемого транзистора (40), т.е минимальные энергетические потери.
Следовательно, предлагаемое устройство для получения постоянного напряжения, согласно второму варианту предлагаемого технического решения, за счет введения отрицательной обратной связи между регулирующим органом и пропорциональным регулятором обеспечивает стабильное постоянное напряжение на нагрузке в более широком диапазоне выходных напряжений, при существенном уменьшении величины пульсирующей импульсной составляющей в выходном напряжении и в выходном токе, а также при минимальных энергетических потерях, при этом вход и выход устройства являются гальванически развязанными.
Для подтверждения достижения более стабильного постоянного напряжения в предлагаемых вариантах технических решений были проведены экспериментальные проверки, результаты которых поясняются временными диаграммами напряжений на нагрузке, см. фиг. 3 (реализовано устройство, соответствующее второму варианту предлагаемого техническою решения).
Временная диаграмма напряжения на нагрузке, заимствованная из описания к патенту США на изобретение №6747420 В2, представлена на фиг. 4.
Результаты сравнения временных диаграмм показывают, что стабильность постоянного напряжения на нагрузке по сравнению с техническим решением, представленном в патенте США на изобретение №6747420 В2, существенно увеличена, а его пульсирующая импульсная составляющая сведена практически к нулю.
Что и подтверждает достижение вышеуказанного технического результата.
Функциональные блоки, входящие в состав устройства, могут быть реализованы различным образом. Так, транзистор регулирующего органа может быть и биполярным, и МОП-транзистором, и БТИЗ-транзистором: преобразователь постоянного напряжения в импульсное напряжение может быть выполнен в виде микросхемы ШИМ-модулятора, и т.п.
Управление выходным напряжением может быть реализовано посредством изменения соответствующего опорного напряжения схемы управления, например, с помощью преобразователя 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.
То же самое относится и к задатчику выходного тока.
При любом способе реализации функциональных блоков, входящих в состав устройства, обеспечивается стабильное постоянное напряжение на нагрузке в более широком диапазоне выходных напряжений. при существенном уменьшении величины пульсирующей импульсной составляющей в выходном напряжении и в выходном токе, то есть достигается заявленный технический результат.
Заявленный технический результат достигается как при наличии гальванической развязки между входом и выходом устройства, так и при ее отсутствии.