专利名称：串联逆变补偿式交流电子稳压器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种交流稳压器，特别是串联逆变补偿式交流电子稳压器。
交流稳压器是一种对交流电源进行稳压的电子仪器，它在工频电网中应用非常广泛。在1983年第6期的《电气自动化》杂志第35页上，提出了一种高效率负反馈交流稳压器的电路方案，它的调整器是使用互补工作的晶体管串联在输入输出电路之间，通过对输出电路的取样比较放大控制晶体管调整器的导通程度来进行稳压的。如果在稳压器输入端与电网之间联接一只升压变压器，就可在电网电压从低到高的一段变化范围内进行稳压。这种稳压器克服了已广泛使用的磁放大器式、自耦变压器式、感应调压器式、可控硅式交流稳压器存在效率低、体积大、重量重、失真大等一系列问题，但这种稳压器由于使用晶体管作调整器，而晶体管是工作于线性放大状态，交流稳压器的输出电流又是全部流过晶体管，当电网输入电压与稳压器的输出电压之间的电压差较大时，晶体管消耗这个电压差与输出电流乘积的功率，其数值较大，效率并不太高。并且由于晶体管消耗功率较大，对于晶体管调整器的散热要求也较高。为了散热，必须加体积较大的散热器，这时稳压器的体积和重量也有一定程度的增加。
本实用新型的目的是提供一种改进的交流稳压器，它的调整器采用消耗功率极少，工作于开关状态的功率转换电路和滤波电路以及脉宽调制电路、驱动电路作调整器，从而在低失真的情况下更好地解决现有技术中效率低、体积大和重量重的问题。
本实用新型的构成见
图1所示电路，调整器由低通滤波器L、C5，输出变压器B1，功率转换电路(5)、驱动电路(4)、脉宽调制器(3)和波形发生器(2)组成。低通滤波器L、C5的输出端(a)、(b)分别串接在输入输出电路的(c)、(e)之间，输入电压Ui与低通滤波器输出的补偿电压进行相量叠加后形成输出电压Uo；由电阻R1、R2组成的取样电路接在输出端(e)、(f)之间对输出电压Uo进行取样，在R2上得到取样电压，与交流基准电压(它与输出电压Uo同频率、同相位)一起分别加到由运算放大器构成的比较放大器IC1的反相和同相输入端进行比较放大；比较放大后输出的信号电压和输出电压Uo的波形相同，它与波形发生器(2)输出的重复频率高于电源频率的非正弦波形加到脉宽调制器(3)的信号输入端，由脉宽调制器(3)输出与波形发生器同频率，但脉冲宽度正比于IC1输出信号电压瞬时值的脉宽调制波电压；把这个电压加到驱动电路(4)的输入端，由驱动电路(4)输出的驱动脉冲控制功率转换电路(5)，功率转换电路受驱动脉冲控制工作于开关状态，它产生的输出也是受IC1输出信号电压控制的脉宽调制波电压。并且送到输出变压器B1的初级线圈两端；B1次级输出的电压经过低通滤波器L、C5滤除高于电源频率的分量，从而在低通滤波器输出端(a)、(b)得到可控的低失真的补偿电压，按图1所示安排各部分电路输入输出之间的相位或极性关系，组成串联调整闭环负反馈系统，使输出电压Uo保持稳定。当输入电压Ui低于规定的输出电压Uo，并且由于某种原因使输出电压Uo变化时，经过电阻R1、R2取样，由IC1将R2上的取样电压和交流基准电源(1)进行比较放大，在输出端得到与输出电压Uo相位相同，反映输出电压Uo大小的控制信号电压，它控制脉宽调制电路(3)输出脉冲宽度随控制信号电压瞬时值变化，经过驱动电路(4)、功率转换电路(5)、输出变压器B1得到放大的脉宽调制电压，由低通滤波器L、C5滤波后，得到正比于IC1输出控制信号电压的补偿电压，它与输入电压Ui相加后形成输出电压Uo，使Uo稳定；当输入电压Ui高于规定的输出电压Uo，并且由于某种原因使输出电压Uo变化，输出端空载，即输出负载电压为零时，经过R1、R2取样IC1比较放大，在IC1输出端得到与输出电压Uo相位相反，反映输出电压Uo大小的控制信号电压，从而也使低通滤波器L、C5输出的补偿电压反相，而这个电压的大小仍正比于IC1输出控制信号电压，由于补偿电压反相，它减去了输入电压Ui高出规定输出电压Uo的部分，使Uo稳定；当输入电压Ui高于规定的输出电压Uo，并且由于某种原因使输出电压Uo变化，但输出负载电流不为零时，由于输出负载电流流过低通滤波器L、C5和输出变压器B1的次级线圈，这时，B1的次级线圈实质上起到一个电感作用，但由于B1的初级是功率转换电路(5)受驱动电路(4)控制而工作于开关状态，并且开关的时间受IC1输出控制信号电压的调制，即为脉宽调制，因此，B1的次级线圈和L、C5等效为一个可控电感。输出电压Uo升高，可控电感的阻抗增大，可控电感上的压降增大；反之，阻抗减小，可控电感上的压降减小，从而使输出电压Uo稳定。
波形发生器(2)产生的非正弦波形重复频率大于电源频率的五倍，以便由低通滤波器L、C5充分滤除高于电源频率的信号，使补偿电压的失真减小，而且波形发生器的输出波形频率越高，在满足同样低失真的条件下，对L、C5的数值要求越小，采用的电感L和电容C5的体积也越小，在功率转换电路(5)的工作频率允许时，波形发生器的频率越高越好，在实施本实用新型时，波形发生器(2)可用矩形波发生器、锯齿波发生器、三角波发生器；功率转换电路(5)可用晶体管构成的推挽式、半桥式、桥式功率转换器，也可用可控硅构成的半桥式、桥式功率转换器。
本实用新型与现有技术相比，由于消耗功率的电路主要是功率转换电路(5)，但功率转换电路(5)是工作于开关状态，它和输出变压器B1低通滤波器L、C5一起组成以脉宽调制方式由直流功率向补偿输出的交流功率转换的逆变滤波电路，因此，整个电路消耗功率极小，其效率极高；由于整个电路消耗功率极小，因此电路元件的发热量小，对电路的散热要求不高，这样，可以缩小稳压器的体积，在输入电压低于规定输出电压的情况下，由于电路和输入、输出端以串联的方式输出补偿功率，所需要补偿的功率比输出功率小许多，电路的转换功率小，使电路消耗功率更小，输出变压器B1的功率容量也不需要很大，因此，整个电路没有体积大和重量重的铁芯线圈类元部件，这样可使稳压器的体积和重量很小。本实用新型除了在效率、体积和重量方面比现有技术更好以外，还保持了性能较好的现有技术中低失真、响应速度快的特点。
本实用新型的最佳实施方案如图2所示，功率转换电路(5)采用公知技术《脉宽调制变换器型稳压电源》(徐德高、金刚编著，科学出版社)中第24～98页第三章的半桥式功率转换电路和第153～167页第四章的输入整流滤波电路，该文献中，功率转换电路用于脉宽调制型直流稳压电源，功率转换电路的输出接高频变压器后再通过二极管整流，电容滤波获得直流稳压输出。本实用新型中，功率转换电路输出端接输出变压器B1，其工作情况与文献中描述的情况相同，只需按文献要求实施。波形发生器(2)采用公知技术《集成电子学摸拟、数学电路和系统》(［美］J.密尔曼，C.C.霍尔凯斯著，杨白辰、杨大成译，人民邮电出版社)下册第295～297页的三角波发生器。交流基准电路(1)采用公知技术1983年第6期《电气自动化》杂志第35～36页“精确的交流齐纳”电路。这些电路的实施在所列出的技术资料中都有详细说明，机内直流电源(6)为稳压器电路本身所需的低压直流电源。采用公知的普通变压器降压，二极管整流，电容滤波和直流稳压电路，对于该部分电路的实施没有什么特殊要求。
下面结合图2所示电路来说明本实用新型的工作原理设(c)、(d)两输入端的输入电压Ucd是初相位为零的工频正弦交流电压，由于(a)、(b)两端是低通滤波器的输出端，电路工作时，这两端所产生的电压只能是工频正弦电压，而工频以上的频率分量被低通滤波器所滤除。因此，(e)、(f)两输出端的输出电压也是工频正弦电压。
当输入电压Ucd低于稳压值时，若暂不考虑低通滤波器L、C5输出的补偿电压Uab，则输出电压Uef也低于稳压值。设Uef的波形如图3(A)所示，这个电压经过取样电阻R1、R2分压，在以集成运算放大器构成的比较放大器IC1的反相输入端得到取样电压，交流基准电路(1)产生稳定不变的与Uef同频率、同相位的交流基准电压加到IC1的同相输入端(交流基准电路的工作原理在上述文献《电气自动化》第35～36页已有详细描述)。选择合适的分压电阻R1、R2，使得当Uef低于稳压值时，在IC1反相输入端产生的取样电压也低于同相输入端的交流基准值，在这种情况下，由IC1进行比较放大，在其输出端输出与Uef相同波形的控制信号电压；而当Uef高于稳压值时，在IC1反相输入端产生的取样电压也高于同相输入端的交流基准值，由IC1进行比较放大，在其输出端输出与Uef反相的控制信号电压。控制信号电压通过耦合电容C2、C3分别加到集成电压比较器IC2的同相输入端和IC3的反相输入端，波形发生器(2)产生频率高于工频的三角波电压通过耦合电容C1、C4分别加到IC2反相输入端和IC3同相输入端(波形发生器的工作原理在上述文献《集成电子学模拟、数字电路和系统》下册第295～297页已有详细描述)，同时，在IC2和IC3的反相输入端通过＋6V电源和R3～R6迭加了微小的直流电压。波形发生器(2)输出的三角波如图3(B)所示，在电路接近最大不失真工作时，IC2反相输入端、同相输入端、IC3同相输入端、反相输入端的电压波形分别如图3(C)、(D)、(F)、(G)所示，根据集成电压比较器的特性，通过IC2、IC3的电压比较作用，在IC2、IC3输出端分别输出如图3(E)、(H)所示的正弦脉宽调制波形，由这两个的时间对应关系可见，它们的极性是相反的，并且由于IC2和IC3的反相输入端迭加了微小的直流电压，使IC2和IC3的输出在每个脉冲出现的前后都有共同的低电平时间。这两个脉宽调制波分别通过限流电阻R8、R9加到晶体管T3、T4的基极，使T3、T4交替工作于截止与导通饱和这两种状态。当IC2输出高电平时，T3导通饱和，经过脉冲变压器B2输出高电平，通过与晶体管T1基极串联的并联电阻电容加到T1的基极和发射极之间，使T1也工作于导通饱和状态；当IC2输出低电平时，T3截止，使T1也工作于截止状态。同理，由于电路对称，IC3输出高电平，晶体管T2导通饱和；IC3输出低电平，T2截止。因此，T1和T2也是工作于交替截止与导通饱和状态，从而使电路中(g)、(h)两端输出电压Ugh的波形如图3(I)所示，这是一个功率较大的正弦脉宽调制波形。关于由T1、T2为主体组成的功率转换电路(5)在T3、T4驱动下进行工作的详细工作原理在上述文献《脉宽调制变换器型稳压电源》第24～98页、第153～167页中已有描述，这里不再重复。在些需要说明的是，由于T1、T2工作高电压，大功率开关状态，在T1、T2工作的转换瞬间，因晶体管存储时间的影响，容易使T1、T2共同导通，从而引起瞬间大电流使晶体管损坏。在IC2、IC3的反相输入端连接＋6V电源和R3～R6的分压电路，正是由于使IC2、IC3输出出现共同的低电平时间而使T1、T2出现共同截止来避免晶体管的共同导通。关于这一点在上述文献中也有专门说明。(g)、(h)两端的电压波形加到输出变压器B1的初级线圈两端后，根据B1的同名端的关系，在B1次级线圈两端产生相同波形的电压输出，由于Ugh是受工频正弦电压调制的脉宽调制波，其中含有工频正弦电压成分，其余则是高频三角波频率的各次谐波成分，因此，B1次级输出的电压经过电感L、电容C5进行低通滤波后，可在(a)、(b)两端得到工频补偿电压Uba输出，其波形图如图3(J)所示。由于电路中(d)、(f)端为参考端点，根据前述的输入、输出电压的相位关系，可得输出电压Uef为输入电压Ucd和补偿电压Uba之和，因此，输出补偿电压Uba的结果，使输出电压Uef高于输入电压Ucd。根据图3中各波形关系及上述的电路工作过程可知，在输入电压Ucd降低或输出端负载变化引起输出电压Uef降低时，IC1输出的控制信号电压增大，则IC2、IC3输出的脉宽调制电压的调制幅度增大，(a)、(b)两端输出的工频补偿电压Uba增大，使输出电压Uef升高；Uef升高后，IC1输出的控制信号电压减小，IC2、IC3输出的脉宽调制电压的调制幅度减小，(a)、(b)两端输出的工频补偿电压Uba减小，使输出电压Uef降低，这样反复多次调整的结果，使电路工作于某一稳定平衡状态，这时输出电压维持在稳压值附近保持不变，即电路起到稳压作用。电路的这种调整过程，就是闭环负反馈自动调整的稳压过程。
在输出空载情况下，当输入电压Ucd高于稳压值以上变化而引起输出电压Uef高于稳压值时，经过R1、R2取样，IC1反相输入端的取样电压大于同相输入端的基准电压，IC1进行比较放大的结果，产生与输出电压Uef相位相反的控制信号电压，和前一种情况相类似，不难分析，电路中IC2同相输入端、IC3反相输入端的电压波形极性分别与图3(D)、(G)所示波形极性相反，IC2、IC3输出电压波形分别是图3(H)、(E)所示波形延迟三角波的半个周期，(g)、(h)两端输出电压Ugh的波形是图3(I)所示波形反极性后再延迟三角波的半个周期，(a)、(b)两端输出的补偿电压Uab的波形与图3(J)所示波形相同。这时输出电压Uef为输入电压Ucd和补偿电压Uab之差，并且若输入电压Ucd变化引起输出电压Uef增大，反相的控制信号电压也增大，补偿电压Uab增大，从而使输出电压Uef减小；反之，Uef减小，Uab减小，补偿的结果使Uef增大，这样经过反复调整，使电路处于稳定平衡状态，输出电压保持稳定，起到稳压作用。
在输出端接负载的情况下，当输入电压Ucd在高于稳压值以上变化而引起输出电压Uef高于稳压值时，这时负载电流由于电容C5对工频容抗较大而主要流过输出变压器B1次级，按照变压器的变流作用，在B1初级应该产生对应于负载电流大小的初级线圈电流，但这个电流又受到T1、T2导通饱和时间的控制而不单纯按照B1的变流关系来产生。由于这个因素使得在B1次级产生的电压也是受T1、T2导通饱和时间的控制的，而不单纯是由负载电流流过次级线圈本身产生电压。因此，T1、T2的控制作用使B1相当于成为一可控电感，控制信号正是决定T1、T2饱和截止时间的控制信号电压，控制信号大，可控电感的等效阻抗大，使B1次级压降增大；反之，可控电感的等效阻抗小，使B1次级压降减小。这样，根据电路的闭环负反馈作用，若某种原因引起输出电压升高，则控制信号电压增大，可控电感等效阻抗增大，其上面的压降增大，使Uef降低，反之，若某种原因引起Uef降低时，反馈调整的结果使Uef升高，这就起到了稳定输出电压的作用。
由上述三种情况可知，输入电压或输出端所接负载不管怎样变化，电路都能起到稳压作用，只要选择足够大增益的比较放大器IC1，电路的稳压精度就可以做到足够高。因为在这种情况下，只要Uef有很小的变化，都能使IC1输出的控制信号电压产生较大的变化，从而使(a)、(b)两端产生足够的补偿电压变化量来补偿输出电压的变化。根据闭环负反馈的自动调节过程，电路能够在稳定平衡条件下，产生较高精度的稳压输出。
整个装置采用一般的印制板和普通支架方式安装，装于普通的电子装置机箱内，不需考虑特别结构形式和方法进行安装，所有元器件为通用的电子器件。
权利要求1.一种串联逆变补偿式交流电子稳压器。由调整器、交流基准电路(1)、取样电路R1、R2，比较放大器IC1组成，调整器的输出端(a)、(b)串接在输入和输出端(c)、(e)之间，取样电阻R1、R2接在输出端(e)、(f)之间，取样电压和交流基准电路(1)产生的交流基准电压一起加到比较放大器IC1进行比较放大，由比较放大器IC1输出的控制信号电压控制调整器的工作，使输出电压稳定；本实用新型的特征在于调整器具有一个波形发生器(2)，它的输出和比较放大器IC1的输出经过脉宽调制电路(3)进行脉宽调制，再由驱动电路(4)、功率转换电路(5)、输出变压器B1、低通滤波器L、C5产生补偿是电压或由这些电路的组成作为可控电感。
2.根据权利要求1所述的稳压器，其特征是所说的波形发生器(2)输出的非正弦波的重复频率大于电源频率的5倍。
3.根据权利要求1所述的稳压器，其特征是所说的波形发生器(2)为三角波发生器。
4.根据权利要求1所述的稳压器，其特征是所说的功率转换电路(5)为晶体管构成的半桥式功率转换电路。
专利摘要本实用新型提供了一种交流稳压器，它采用交流串联反馈调整的方式进行稳压，调整器的输出端串联在稳压器的输入、输出端之间，由脉宽调制方式工作于开关状态的逆变电路和滤波电路组成，在输入电压低时调整器的输出补偿了稳压器输入、输出之间的电压差，使输出电压稳定；在输入电压高时，调整器成为可控电感，进行串联降压，使输出电压稳定。本实用新型具有效率高，失真低，体积小，重量轻的特点，并且保持了现有技术中原有的一系列优点。
文档编号G05F1/10GK2034302SQ87217008
公开日1989年3月15日 申请日期1987年12月30日 优先权日1987年12月30日
发明者傅春生 申请人:傅春生