SU1742805A1 - Стабилизирующий источник напр жени посто нного тока - Google Patents

Abstract

Использование: в источниках вторичного электропитани  радиоэлектронной аппаратуры . Цель изобретени  - повышение КПД и качества стабилизации. Сущность изобретени : устройство состоит из последовательно включенных гас щего конденсатора , выпр мител , сглаживающего фильтра и стабилизатора напр жени  параллельного типа. Гас щий конденсатор выполнен из диэлектрика с отрицательным температурным коэффициентом емкости, установлен на корпусе регулирующего элемента и имеет с ним тепловой контакт. При протекании повышенного тока через регулирующий элемент последний нагреваетс  и увеличивает реактивное сопротивление гас щего конденсатора. В результате уменьшаютс  потребл емый ток, мощность, рассеиваема  на регулирующем элементе, и его нагрев. В предлагаемом устройстве реализован принцип двухступенчатой стабилизации напр жени . 2 с.п. ф-лы, 9 ил. ё

Description

Изобретение относитс  к источникам напр жени , обеспечивающим питание стабилизированным напр жением посто нного тока различных электронных устройств (таймеров, цифровых часов и автоматов, регул торов электродвигателей, осветительных и нагревательных приборов, устройств сигнализации и контрол  физических параметров ), предназначенных дл  работы без надзора в непрерывном круглосуточном пожаробезопасном режиме в бытовой и контрольно-измерительной технике.

Известен трансформаторный стабилизированный источник напр жени , состо щий из трансформатора, выпр мител .

сглаживающего фильтра, регулирующего элемента, усилител  посто нного тока и измерительного элемента. Дл  снижени  напр жени  сети до уровн , необходимого дл  работы электронной части стабилизатора, в источнике используетс  трансформатор. Трансформатор, который имеет повышенную пожароопасность. низкую надежность, высокую стоимость, значительные габариты , трудоемок в изготовлении и  вл етс  источником электромагнитных помех, снижает технико-экономические и эксплуатаци- онные характеристики стабилизатора напр жени .

J

N

ю

00

о ел

Известен источник напр жени  параллельного типа, состо щий из трансформатора , выпр мител , сглаживающего фильтра, гас щего резистора, регулирующего элемента , усилител  посто нного тока и измерительного элемента. Стабилизирующий источник параллельного типа обладает высокой надежностью при токовых перегрузках и коротких замыкани х на выходе и не требует применени  специальных схем защиты . При этом регулирующий элемент (транзистор) переходит даже в облегченный режим и перегрузке подвергаетс  лишь гас щий резистор.

Недостатком источника  вл етс  изменение в широких пределах тока через регулирующий элемент, что увеличивает потребл емую мощность и нагрев элемента , а также снижает коэффициент стабилизации и надежность устройства. Кроме того, гас щий резистор стабилизатора рассеивает большую мощность.

Известен стабилизирующий источник напр жени  с двойным регулированием. В источнике (за счет использовани  дополнительной цепи регулировани ) осуществл ет- с  стабилизаци  напр жени  на коллекторном резисторе регулирующего транзистора независимо от установленного значени  выходного напр жени . Следовательно , ток через регулирующий элемент стабилизируетс  с высокой точностью, что уменьшает потребл емую мощность и повышает коэффициенты полезного действи  и стабилизации. Недостатком источника  вл етс  его сложность и наличие трансформатора .

Известны термочувствительные конденсаторы , выполненные на основе диэлектрика с большим температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости . Материалом таких конденсаторов чаще всего служат твердые растворы тита- ната бари  с другими титанэтами или оксидами .

Емкость сегнетоэлектрических конденсаторов при нагреве увеличиваетс  и достигает максимального значени  в точке Кюри, затем при дальнейшем нагреве емкость уменьшаетс . Точка Кюри имеет различные значени  дл  разных типов диэлектриков, а также зависит от их состава. Крутизна характеристики С f (t°C) может составл ть 1-50%°С. Слева от точки Кюри представленные сегнетоэлектрические конденсаторы имеют положительный температурный коэффициент емкости (ТКЕ), справа - отрицательный ТКЕ. В зависимости от предъ вл емых требований в устройствах используетс  рабочий участок характеристики С f (t°C) с отрицательным или положительным ТКЕ.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  бестрансформаторный стабилизирующий источник напр жени , содержащий гас щий конденсатор, выпр митель, сглаживающий фильтр и стабилизатор напр жени  параллельного типа с регулирующим элементом.

0 Бестрансформаторные источники питани  с гас щим конденсатором в р де случаев предпочтительнее трансформаторных, так как обладают высоким выходным сопротивлением выпр мител  и, следовательно.

5 не бо тс  коротких замыканий низковольтных цепей. При коротких замыкани х ток в нагрузке ограничиваетс  за счет конденсатора относительно небольшим значением, практически не могущим привести к загора0 нию. Требование же пожарной безопасности дл  круглосуточно работающего без надзора устройства  вл етс  основным. Кроме того, сам по себе конденсатор надежнее трансформатора в отношении пожар5 нойбезопа-сности,особенно

трансформатора несерийного или самодельного .

Недостатком известного устройства  вл етс  больша  потребл ема  мощность и,

0 следовательно, низкий коэффициент полезного действи  (КПД). Эт.о св зано с тем, что дл  обеспечени  стабилизированного напр жени  на выходе устройства включаетс  регулирующий элемент (транзистор или ста5 билитрон). потребл ющий значительный ток. Значение тока через регулирующий элемент определ етс  как разность суммарного тока (тока вытекающего из фильтра) и тока нагрузки. Дл  обеспечени  работы ре0 гулирующего элемента в диапазоне его нормальных рабочих токов суммарный ток в устройстве задаетс  посто нным и зависит в основном от реактивного сопротивлени  емкости гас щего конденсатора. При изме5 нении тока нагрузки ток через регулирующий элемент измен етс  в очень широких пределах (от единиц миллиампер до сотен миллиампер). В частности, при отсутствии тока нагрузки (на холостом ходу) весь сум0 марный ток перераспредел етс  и протекает через регулирующий элемент, что приводит к резкому увеличению рассеиваемой им мощности, значительному повышению температуры, снижению надежности и

5 КПД источника.

Кроме того, из-за изменени  в широких пределах тока через регулирующий элемент напр жение его стабилизации существенно измен етс , что приводит к снижению коэффициента стабилизации известного источника напр жени . Уменьшению качества стабилизации способствует также изменение температуры регулирующего элемента при изменении тока.

Целью изобретени   вл етс  повышение как качества стабилизации, так и КПД стабилизирующего источника напр жени  за счет снижени  нагрева регулирующего элемента и уменьшени  рассеиваемой на нем мощности.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в стабилизирующем источнике напр жени  посто нного тока, содержащем выпр митель , вход которого через гас щий конденсатор соединен с выводами дл  подключени  сети переменного тока, сглаживающий фильтр, вход которого подключен к выходу выпр мител , и стабилизатор напр жени  параллельного типа с регулирующим элементом, включенным в выходную цепь сглаживающего фильтра между выводами дл  подключени  нагрузки, гас щий конденсатор выполнен из диэлектрика с отрицательным температурным коэффициентом емкости и установлен в тепловом контакте с регулирующим элементом.

На фиг.1 приведены характерные зависимости емкости С f (t°) сегнетоэлектриче- ских конденсаторов на основе ВаТЮз и ВаТЮ2 - ВаЗпОз. на фиг.2 и 3 - структурна  схема предлагаемого стабилизирующего источника напр жени ; на фиг.4 и 5 - гас щий конденсатор с регулирующим элементом; на фиг.6-9 - графики основных сравнительных характеристик стабилизирующего источника напр жени  с транзисторным регулирующим элементом.

Стабилизирующий источник напр жени  посто нного тока (фиг.2) содержит выпр митель 1, вход которого через гас щий конденсатор 2 соединен с выводами дл  подключени  сети переменного тока, сглаживающий фильтр 3, еход которого подключен к выходу выпр мител , регулирующий элемент 4, имеющий тепловой контакт с гас щим конденсатором 2 и выполненный в виде транзистора,  вл ющегос  составной частью стабилизатора 5 напр жени  параллельного типа, в состав которого вход т также балластный резистор 6. усилитель 7 посто нного тока и измерительный элемент 8.

Второй вариант стабилизирующего источника напр жени  (фиг.З) состоит из выпр мител  1, гас щего термочувствительного конденсатора 2, сглаживающего элемента 4, выполненного в виде стабилитрона и имеющего тепловой контакт с конденсатором 2. Нагрузкой стабилизирующего источника напр жени  и его второй ступенью стабилизации  вл етс  стабилизатор последовательного типа 5. состо щий из второго регулирующего элемента 6. усилител  посто нного тока 7 и измерительного элемента 8. 5Тепловой контакт между конденсатором 2 и управл ющим элементом 4 (фиг.4 и 5) обеспечиваетс  за счет установки конденсатора на корпусе регулирующего элемента, тугой посадки элементов конструкции и нали0 чи  теплопровод щей пасты между контактирующими поверхност ми конденсатора 2 и управл ющего элемента 4.

Дл  достижени  цели изобретени  материал диэлектрика конденсатора 2 выбира5 етс  таким, чтобы обеспечивать в рабочем диапазоне температур управл ющего элемента отрицательный температурный коэффициент емкости (фиг.6). В качестве материала диэлектрика конденсатора 1 ис0 пользуют сегнетоэлектрик (.ооз Ва о.997)ТЮзс различными примес ми. Начальную емкость конделсатора задают равной 32 мкф при 20°С, а температурный коэффициент емкости определ ют количеством

5 примесей карбонатов кали  и натри  в сег- нетоэлектрике.

Стабилизирующий источник напр жени  (фиг.2) работает следующим образом. При включении источника переменное

0 входное напр жение передаетс  через конденсатор 2 на выпр митель 1, преобразуетс  им в пульсирующее однопол рное напр жение, которое сглаживаетс  фильтром 3. Сглаженное напр жение с фильтра 3

5 через балластный резистор 6 передаетс  на управл ющий элемент (транзистор) 4. При протекании тока через управл ющий элемент 4 он нагреваетс , что за счет тепловой св зи с конденсатором 2 уменьшает ем0 кость конденсатора и, следовательно, увеличивает его реактивное сопротивление. Поэтому ток через управл ющий элемент 4 и ток, потребл емый от входной цепи, уменьшаютс . Следовательно, мощность,

5 потребл ема  от входного цепи, и мощность , потребл ема  транзистором 4, также уменьшаютс  В результате нагрев регулирующего элемента 4 снижаетс , а коэффициент полезного действи  и коэффициент

0 стабилизации устройства повышаютс  В остальном работа предлагаемого источника напр жени  аналогична работе стабилизаторов параллельного типа.

Напр жение с регулирующего элемента

5 4,  вл ющеес  выходным напр жением источника , передаетс  на вход измерительного элемента 8. Измерительный элемент 8, в состав которого вход т сравнивающий делитель и источник опорного напр жени , сравнивает выходное напр жение источника с задаваемым опорным напр жением и через усилитель 7 посто нного тока измен ет сопротивление регулирующего элемента 4 до тех пор. пока выходное напр жение не установитс  равным заданному. При изме- нении входного напр жени  (например, при его увеличении) первоначально измен ютс  ток через регулирующий элемент 4 и выходное напр жение источника. Увеличение тока регулирующего элемента 4 влечет увеличение его температуры и. следовательно , уменьшение (фиг.6) емкости С конденсатора 2. Причем уменьшение емкости (увеличение реактивного сопротивлени ) конденсатора таково, что с определенной степенью точности поддерживает посто нство тока управл ющего элемента и выходное напр жение источника. Изменение выходного напр жени  передаетс  на вход измерительного элемента 8. В измеритель- ном элементе 8 выдел етс  сигнал рассогласовани , который усиливаетс  усилителем посто нного тока 7 и подаетс  на вход регулирующего элемента 4. измен   его сопротивление таким образом, что вы- ходное напр жение источника сохран етс  с определенной степенью точности.

Стабилизирующий источник напр жени  (фиг.З) работает аналогично источнику (фиг.2).

При этом регулирующий элемент 4, выполненный на стабилитроне, можно рас- сматривать как вырожденный стабилизатор напр жени  параллельного типа. Нагрузкой стабилизатора  вл етс  втора  ступень стабилизации напр жени , представл юща  собой стабилизатор 5 последовательного типа, состо щий из второго регулирующего элемента 6, усилител  7 посто нного тока и измерительного элемента 8.

На фиг.7 представлены зависимости мощности Р, потребл емой регулирующим элементом, и нагрева этого элемента от тока нагрузки 1 при различных температурных коэффициентах емкости (ТКЕ) конденсатора . Кривые 1-3 соответствуют предлагаемому устройству, крива  4 - прототипу.

Из фиг.7 видно, что в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом мощ- ность, потребл ема  регулирующим элементом, и его температура существенно снижаютс . Причем это уменьшение тем значительнее, чем больше ТКЕ. У прототипа потребл ема  мощность в 2-8 раз выше, а температурный нагрев на 50-80°С больше, чем у предлаемого устройства.

На фиг.8 представлены зависимости коэффициента стабилизации Кет предлагаемого устройства и прототипа. Кривые 1-3 получены дл  предлагаемого устройства, крива  4 - дл  прототипа. Из фиг.8 видно, что коэффициент стабилизации предлагаемого устройства в 2-20 раз выше, чем коэффициент стабилизации прототипа.

На фиг.9 представлены зависимости коэффициента полезного действи  (КПД) предлагаемого устройства и прототипа. Из фиг.9 видно, что КПД предлагаемого устройства в 2-5 раз выше, чем КПД прототипа.

Таким образом, предлагаемый источник напр жени  позвол ет в 2-5 раз уменьшить мощность, потребл емую регулирующим элементом, и на 50-80°С снизить его нагрев , что уменьшает габариты радиатора охлаждени  управл ющего элемента; в 2-20 раз увеличить качество стабилизации устройства по сравнению с прототипом, что улучшает метрологические характеристики устройства и/или упрощает его электронную часть; в 2-5 раз повысить коэффициент полезного действи  устройства, что позвол ет снизить мощность, потребл емую от сети и уменьшить габаритно-весовые характеристики источника.

На базе предлагаемого устройства можно создавать экономичные и дешевые микросхемы стабилизаторов напр жени  по гибридно-пленочной технологии. Испытани  показали надежность и пожаробезопас- ность источника напр жени  в непрерывном круглосуточном режиме.

Claims (3)

1.Стабилизирующий источник напр жени  посто нного тока, содержащий выпр митель , вход которого через гас щий конденсатор соединен с выводами дл  подключени  сети переменного тока, сглаживающий фильтр, вход которого подключен к выходу выпр мител , стабилизатор напр жени  параллельного типа с регулирующим элементом, включенным в выходную цепь сглаживающего фильтра между выводами дл  подключени  нагрузки, отличающий- с   тем, что, с- целью повышени  -КПД и качества стабилизации путем снижени  нагрева регулирующего элемента и рассеиваемой на нем мощности, гас щий конденсатор выполнен из диэлектрика с отрицательным температурным коэффициентом емкости и установлен в тепловом контакте с регулирующим элементом.

2.Источник напр жени  по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем. что регулирующий элемент выполнен в виде стабилитрона.

3.Источник напр жени  по п.1,отличающий с   тем. что регулирующий элемент выполнен в виде транзистора.

SO

С.мкФ

30

P.Rm

500.

200

100

0,04 0,08 0,12 0,16 0,2

. g

К/7Л,%

/О

0,0 0,05 0,12 0,16 0,2

VV.Q

Составитель В.Володарский

Техред М.МоргенталКорректор М.Пожо

Редактор А.Мотыль

Заказ 2285ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035. Москва. Ж-35. Раушска  наб., 4/5