вторичный источник питания
Классы МПК: | G05F1/59 с несколькими полупроводниковыми приборами в качестве оконечных управляющих устройств при одной нагрузке |
Автор(ы): | Гринберг Г.М., Мизрах Е.А., Петунин В.М., Петраков Е.В. |
Патентообладатель(и): | Сибирская аэрокосмическая академия |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-01-03 публикация патента:
20.01.1995 |
Использование: для моделирования вольт-амперных характеристик (ВАХ) первичных источников электроэнергии, в частности солнечных батарей. Сущность изобретения: позволяет повысить точность воспроизведения источником требуемых ВАХ, а именно исключается ошибка воспроизведения ВАХ, вызванная выходом из строя преобразовательных ячеек (ПЯ). Источник состоит из N питающих каналов (ПК), включенных параллельно между входными и выходными выводами. Первый ПК включает в себя ПЯ, шунтирующий транзистор (ШТ) и развязывающий диод (РД). Второй ПК включает в себя ПЯ, ШТ, РД, два компаратора и переключатель (П), а в состав остальных ПК добавлен сумматор. Для воспроизведения требуемых ВАХ используется M ПК, причем первый ПК обеспечивает линейное регулирование своего выходного тока (ВТ), а ПК от второго до M-го обеспечивают дискретное регулирование своего суммарного ВТ. Остальные (N-M) ПК используются в качестве резервных. Выбор основного или резервного режима работы ПК осуществляются с помощью П. В случае выхода из строя одной или нескольких ПЯ взамен неисправных ПК подключается соответствующее число ПК из числа резервных. Для исключения подключения резервных ПК в случае нормального режима работы основных ПК компараторы совмещены по выходу по логике ИЛИ. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, содержащий N ячеек-стабилизаторов тока, соединенных входами с выводами для подключения источника питающего напряжения, датчик тока нагрузки, узел сравнения опорного напряжения с суммарным значением напряжения на датчике тока и выходного напряжения, N транзисторов, N развязывающих диодов, N - 1 компараторов, причем цепи коллектор - эмиттер всех транзисторов, кроме первого, подключены параллельно выходу соответствующих ячеек-стабилизаторов тока, база первого транзистора подключена к выходу узла сравнения, а базы остальных транзисторов соединены с выходами соответствующего основного компараторов, выходы ячеек-стабилизаторов тока через соответствующие развязывающие диоды соединены с выводом для подключения нагрузки, ячейки-стабилизаторы тока всех питающих каналов, кроме I-го, снабжены информационными выходами, в качестве источника опорного напряжения второго питающего канала использован информационный выход ячейки-стабилизатора тока первого питающего канала, а источники опорного напряжения последующих питающих каналов выполнены в виде сумматоров, причем входы сумматоры каждого i-го питающего канала подключены к опорному входу основного компаратора и информационному выходу ячейки-стабилизатора тока (i - 1)-го питающего канала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности воспроизведения вольтамперных характеристик, в него введены дополнительные N - 1 компараторов, а также источник опорного напряжения и N - 1 переключателей, при этом опорные входы дополнительных компараторов присоединены к источнику опорного напряжения, во всех питающих каналах выходы основного и дополнительного компараторов соединены друг с другом, сигнальный вход дополнительного компаратора во всех питающих каналах соединен с переключающим контактом переключателя своего питающего канала, размыкающий контакт которого соединен с общей шиной, а замыкающий - с опорным входом основного компаратора своего питающего канала, кроме того, в первом питающем канале выход первой ячейки-стабилизатора тока соединен с цепью коллектор - эмиттер первого транзистора через первый развязывающий диод.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для моделирования вольт-амперных характеристик (ВАХ) первичных источников электроэнергии, в частности солнечных батарей. Известен вторичный источник питания, со специальной формой ВАХ [1], используемый как имитатор солнечных батарей, состоящий из ряда преобразовательных ячеек - стабилизаторов тока, соединенных по входу с выводами для подключения питания Un, а по выходу через развязывающие диоды с нагрузкой. Выходы всех преобразовательных ячеек зашунтированы транзисторами, причем базовый вывод одного транзистора соединен с выходом узла сравнения, к входным выводам которого подключены источник опорного напряжения, выход источника питания и выход включенного в цепь нагрузки датчика тока. Базовые выводы остальных транзисторов через компараторы соединены с выходом датчика тока нагрузки. Недостатками такого источника являются низкие надежность и точность воспроизведения требуемых ВАХ из-за несовпадения значений выходных токов преобразовательных ячеек и порогов срабатывания компараторов. Известен также вторичный источник питания [2], содержащий N ячеек - стабилизаторов тока, соединенных входами с выводами для подключения источника питающего напряжения, датчик тока нагрузки, узел сравнения опорного напряжения с суммарным значением напряжения на датчике тока и выходного напряжения, N транзисторов, N развязывающих диодов, N-1 и компараторов и N-2 сумматоров. Недостатком этого вторичного источника питания является низкая точность воспроизведения требуемых ВАХ из-за смещения координаты крутопадающего участка ВАХ при выходе из строя ячейки - стабилизатора тока какого-либо из питающих каналов или из-за того, что в случае выхода из строя ячейки первого питающего канала развязывающий диод закрыт и линейный регулятор отключен от выходных выводов источника. Цель изобретения - повышение точности воспроизведения ВАХ. Цель достигается тем, что во вторичный источник питания, содержащий N ячеек - стабилизаторов тока, соединенных входами с выводами для подключения источника питающего напряжения, датчик тока нагрузки, узел сравнения опорного напряжения с суммарным значением напряжения на датчике тока и выходного напряжения, N транзисторов, N развязывающих диодов, N-1 компараторов, причем коллектор-эмиттерные цепи всех транзисторов, кроме первого, подключены параллельно выходу соответствующих ячеек - стабилизаторов тока, база первого транзистора подключена к выходу узла сравнения и базы остальных транзисторов соединены с выходами соответствующих основных компараторов, выходы ячеек - стабилизаторов тока через соответствующие развязывающие диоды соединены с выводом для подключения нагрузки, ячейки - стабилизаторы тока у всех питающих каналов, кроме N-го, снабжены информационными выходами, в качестве источника опорного напряжения второго питающего канала использован информационный выход ячейки - стабилизатора тока первого питающего канала, а источники опорного напряжения последующих питающих каналов выполнены в виде сумматоров, причем входы сумматора каждого i-го питающего канала подключены к опорному входу основного компаратора и информационному выходу ячейки - стабилизатора тока (i-1)-го питающего канала, введены N-1 компаратоpов, N-1 переключателей и источник опорного напряжения, при этом опорные входы дополнительных компараторов присоединены к дополнительному источнику опорного напряжения, во всех питающих каналах выходы основного и дополнительного компаратоpов соединены друг с другом, сигнальный вход дополнительного компаратора во всех питающих каналах соединен с переключающим контактом переключателя своего питающего канала, размыкающий контакт которого соединен с общей шиной, а замыкающий - с опорным входом основного компаратора своего питающего канала, кроме того, в первом питающем канале выход ячейки - стабилизатора тока соединен с цепью коллектор-эмиттер транзистора через развязывающий диод. Сопоставительный анализ заявляемого решения и прототипа показывает, что в первое введены дополнительные N-1 компараторов, N-1 переключателей, а также источник опорного напряжения, при этом опорные входы дополнительных компараторов присоединены к дополнительному источнику опорного напряжения, во всех питающих каналах выходы основного и дополнительного компараторов соединены друг с другом, сигнальный вход дополнительного компаратора во всех питающих каналах соединен с переключающим контактом переключателя своего питающего канала, размыкающий контакт которого соединен с общей шиной, а замыкающий - с опорным входом основного компаратора своего питающего канала, кроме того, в первом питающем канале выход ячейки - стабилизатора тока соединен с цепью коллектор-эмиттер транзистора через развязывающий диод. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Совокупность известных и введенных элементов и их связей обусловили новое свойство: если для формирования крутопадающего участка ВАХ источника требуется количество питающих каналов М, меньшее общего количества питающих каналов N, то остальные S = N-M питающих каналов могут быть использованы в качестве резервных, подключаемых к выходу источника вместо вышедших из строя основных питающих каналов. В случае выхода из строя ячейки - стабилизатора тока в первом питающем канале закрывается развязывающий диод, который отключает неисправную ячейку - стабилизатор тока от выхода источника. Линейный регулятор при этом не отключается и обеспечивает требуемое изменение ВАХ источника. В результате исключаются режим, когда происходит смещение координаты крутопадающего участка ВАХ источника из точки Iн = М![вторичный источник питания, патент № 2027217](/images/patents/446/2027014/729.gif)
![вторичный источник питания, патент № 2027217](/images/patents/446/2027014/729.gif)
U6.i = (i-1)КIя, (1) где К - коэффициент пропорциональности. Пороги срабатывания компараторов 6.2-6.N находятся в соотношении
U6.2 < U6.3 < ...< U6.N. (2)
Пороги срабатывания компараторов 13.2-13.N определяются напряжением Uоп и выбираются в пределах
(M-1)IяK < Uоп < (М)IяК, (3) а напряжения U13.i, подаваемые на сигнальные входы компараторов 13.2-13.N, определяются выражением
U13.i = (i-1)IяК > Uoп, (4) если сигнальные входы этих компараторов через переключатели 14.2-14. N объединены с опорными входами компараторов 6.2-6.N, или равно нулю, если эти входы через переключатели 14.2-14.N закорочены на общую шину. На выходе компараторов 6.2-6.N устанавливается логическая "1", если напряжение на их сигнальном входе меньше напряжения на опорном входе, логический "0", если напряжение на их сигнальном входе равно или больше напряжения на опорном входе. На выходе компараторов 13.2-13.N устанавливается логический "0", если их сигнальные входы через переключатели 14.2-14.N подключены к общей шине, если их сигнальные входы через переключатели 14.2-14. N подключены к опорным входам компараторов 6.2-6.N и напряжения U13.i на этих входах меньше Uоп. На выходе компараторов 13.2-13.N устанавливается логическая "1", если их сигнальные входы через переключатели 14.2-14.N подключены к опорным входам компараторов 6.2-6.N и напряжения U13.i на этих входах больше Uоп. Исходное состояние схемы. На выходе компараторов 6.2-6.N напряжение соответствует логической "1". Переключающие контакты переключателей 14.2-14.М замкнуты с размыкающими контактами и на выходах компараторов 13.2-13.М напряжение соответствует логическому "0". Переключающие контакты остальных переключателей 14. (М+1)-14. (М+S) замкнуты с замыкающими контактами и на выходах компараторов 13.(М+1)-13.(М+S) напряжение соответствует логической "1". На базах транзисторов 4.2-4.N напряжения соответствуют логической "1" и транзисторы 4.2-4.N открыты. Пока ток нагрузки Iн< Iя напряжение U3 на выходе датчика 3 тока нагрузки меньше порога срабатывания компаратора 6.2, все компараторы 6.2-6.N, 13.2-13. N, транзисторы 4.2-4.N находятся в исходном состоянии. Требуемое выходное напряжение источника питания
Uн = Uхх - IнК3 (5) обеспечивается линейным регулятором напряжения, состоящим из транзистора 4.1 ячейки 1.1, узла 5 сравнения и источника опорного напряжения Uхх К3 - коэффициент передачи датчика 3 тока нагрузки. В режиме холостого хода (при Iн = 0) выходное напряжение источника питания Uн = Uхх. По мере роста тока Iн транзистор 4.1 закрывается и согласно выражению (5) напряжение Uн линейно уменьшается. При токе Iн = Iя транзистор 4.1 закрывается, в нагрузку 12 поступает весь выходной ток ячейки 1.1, напряжение Uн равно Uхх - IяК3, а напряжение на выходе датчика 3 тока нагрузки достигает порога срабатывания компаратора 6.2. При срабатывании компаратора 6.2 напряжение на базе транзистора 4.2 становится равным напряжению логического "0" и транзистор 4.2 закрывается. Закрывание транзистора 4.2 вызывает скачкообразное увеличение тока Iн нагрузки, что приводит к открыванию транзистора 4.1 и уменьшению до нуля выходного тока Iл.р. линейного регулятора. Выходное напряжение Uн и выходной ток Iн источника остаются при этом равными соответственно Uхх-IяК3 и Iя. Дальнейшее уменьшение сопротивления Rн нагрузки и соответственное увеличение тока Iн сопровождается линейным уменьшением напряжения Uн согласно выражению (5). При токе Iн=2Iя выходное напряжение датчика 3 тока нагрузки становится равным порогу срабатывания компаратора 6.3. В этот момент напряжение на базе транзистора 4.3. становится равным напряжению логического "0". Транзистор 4.3 закрывается, к выходу источника подключаются ячейки 1.1-1.3 и ток Iн скачком увеличивается до величины 3Iя. Открывается транзистор 4.1, ток Iн уменьшается до требуемого значения 2Iя, а напряжение Uн равно Uхх-2IяК3. Дальнейшее увеличение тока Iн вызывает поочередное срабатывание компараторов 6.4-6. М, закрывание транзисторов 4.4-4.М и подключение к выходу источника питания ячеек 1.4-1.М. При токе Iн, равном (М-1)Iя, срабатывает компаратор 6. М, ячейка 1.М переводится в режим отдачи энергии в нагрузку 12, а увеличение тока Iн до величины М
![вторичный источник питания, патент № 2027217](/images/patents/446/2027014/729.gif)
Uн = Rн
![вторичный источник питания, патент № 2027217](/images/patents/446/2027014/729.gif)
На выходе источника питания формируется приближенная ВАХ солнечной батареи с координатами: напряжение холостого хода Uхх, ток короткого замыкания М
![вторичный источник питания, патент № 2027217](/images/patents/446/2027014/729.gif)
![вторичный источник питания, патент № 2027217](/images/patents/446/2027014/729.gif)
![вторичный источник питания, патент № 2027217](/images/patents/446/2027014/729.gif)
Класс G05F1/59 с несколькими полупроводниковыми приборами в качестве оконечных управляющих устройств при одной нагрузке