СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1996 года по МПК G05F3/18 

Предполагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании высокостабильных источников эталонного напряжения.

Известен параметрический стабилизатор напряжения (авт. св. СССР N 849184, G 05 F 3/02, 1981), содержащий резистивный делитель напряжения, операционный усилитель, стабилитрон, ограничительный и регулировочный резисторы, два источника питания операционного усилителя и источник входного напряжения.

Недостатком известного стабилизатора является сложность конструкции из-за необходимости использования трех источников питания, причем источники питания операционного усилителя должны быть гальванически связаны от источника входного напряжения.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению, принятым за прототип, является параметрический стабилизатор напряжения (авт. св. СССР N 983691 G 05 F 3/18, 1982), содержащий резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор подключен к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения и через стабилитрон к первому выводу регулировочного резистора и выходной клемме, второй вывод регулировочного резистора соединен с выходной клеммой, общая шина входного и выходного напряжений соединена с выходом операционного усилителя, шина нулевого потенциала питания которого подключена к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения.

На фиг. 1 представлена схема известного параметрического стабилизатора напряжения. Стабилизатор содержит резистивный делитель напряжения 1, выполненный на резисторах 2 и 3, первый крайний и средний выводы резистивного делителя напряжения 1 соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 4, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор 5 подключен к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения 1 и через стабилитрон 6 к первому выводу регулировочного резистора 7 и выходной клемме 8, второй вывод регулировочного резистора 7 соединен с входной клеммой 9, общая шина входного и выходного напряжений соединена с выходом операционного усилителя 4, шина нулевого потенциала питания которого подключена к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения 1.

Работает параметрический стабилизатор напряжения следующим образом. При включении напряжения питания операционного усилителя 4 и подаче входного напряжения U_вх на входную клемму 9, через регулировочный резистор 7 будут протекать два тока: ток стабилизатора 6 и ток нагрузки стабилизатора. Ток стабилитрона 6, протекая через него, формирует напряжение источника ЭДС U_o стабилитрона 6 и создает падение напряжения на дифференциальном сопротивлении стабилитрона 6, при этом можно записать:
U_вх (I₈+I₆)•R7 + U_o + I₆•(R5 + R6) I₁•(R2 + R3),
где: U_вх входное напряжение, поступающее на клемму 9;
U_o напряжение источника ЭДС стабилитрона 6;
I₁ ток, протекающий через резисторы 2 и 3 делителя напряжения 1;
I₆ ток, протекающий через стабилитрон 6;
I₈ ток нагрузки стабилизатора, протекающий через клемму 8;
R2, R3 сопротивления резисторов 2 и 3 делителя напряжения 1;
R5 сопротивление ограничительного резистора 5;
R6 дифференциальное сопротивление стабилитрона 6;
R7 сопротивление регулировочного резистора 7.

Значение выходного напряжения стабилизатора будет определено как
U_вых U_вх (I₈ + I₆)•R7 U_o + 1_6>•(R5 + R6) I₁•(R2 + R3)
Поскольку входы операционного усилителя 4 эквипотенциальны, т.е. U⁺ U^-, можно записать: I₆•R5 I₁•R3, таким образом U₁ 1₆•R5/R3.

Подставив значение I₁ в выражение выходного напряжения, получим:
U_вых U_o + 1₆•(R3•R6 R2•R5)/R3
Если выполняется условие: R3•R6 R2•R5 0, т.е. R6/R5 R2/R3, значение выходного напряжения стабилизатора будет равно значению напряжения ЭДС стабилитрона 6:
U_вых U_o
Таким образом, обладая высоким коэффициентом стабилизации, известный параметрический стабилизатор напряжения имеет недостаток: сложность конструкции из-за необходимости использования источника входного напряжения и двух гальванически отвязанных источников питания операционного усилителя.

Цель предполагаемого изобретения упрощение конструкции стабилизатора за счет сокращения количества используемых источников питания.

Поставленная цель по первому варианту достигается тем, что в параметрическом стабилизаторе напряжения, содержащем резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор подключен к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения и через стабилитрон к первому выводу регулировочного резистора, выходную и входную клеммы, первый и второй крайний выводы резистивного делителя напряжения соединены соответственно с выходной и выходной клеммами, а средний вывод с вторым выводом регулировочного резистора, первый вывод которого подключен к шине нулевого потенциала.

Поставленная цель по второму варианту достигается тем, что в параметрическом стабилизаторе напряжения, содержащем резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, второй крайний вывод резистивного делителя напряжения через ограничительный резистор подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и первому выводу стабилитрона, выходную и входную клеммы, первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения соединены соответственно с выходной и входной клеммами, а второй вывод стабилитрона подключен к шине нулевого потенциала.

На фиг. 2 приведена схема предлагаемого параметрического стабилизатора напряжения по первому варианту. Стабилизатор содержит резистивный делитель напряжения 1, выполненный на резисторах 2 и 3, первый крайний и средний выводы резистивного делителя напряжения 1 соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 4, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор 5 подключен к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения 1 и через стабилитрон 6 к первому выводу регулировочного резистора 7, первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения 1 соединены соответственно с выходной 8 и входной 9 клеммами, а средний вывод с вторым выводом регулировочного резистора 7, первый вывод которого подключен к шине нулевого потенциала.

Работает предлагаемый параметрический стабилизатор напряжения следующим образом. При подаче на клемму 9 входного напряжения U_вх, которое одновременно является напряжением питания операционного усилителя 4, на его входах возникают падения напряжений от токов, протекающих от источника входного напряжения через клемму 9, через ограничительный резистор 5 и резистор 3 делителя напряжения 1:
U⁺ (U_вх•R6 + U_о•R5)/(R5 + R6),
U^- (U_вх•R2•R7 + U_вых•R3•R7)/(R2•R3 + R2•R7 + R3•R7),
где U⁺, U^- напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах операционного усилителя 4;
U_вх входное напряжение, поступающее на клемму 9;
U_o напряжение источника ЭДС стабилитрона 6;
U_вых выходное напряжение, формируемое на клемме 8;
R2, R3 сопротивления резисторов 2 и 3 делителя напряжения 1;
R5 сопротивление ограничительного резистора 5;
R6 дифференциальное сопротивление стабилитрона 6;
R7 сопротивление регулировочного резистора 7.

Поскольку входы операционного усилителя 4 эквипотенциальны, т.е. U⁺ U^-, можно определить значение выходного напряжения стабилизатора:

Если выполняется условие: R3•R6•(R2 + R7) R2•R5 •R7 0, т.е. R5/R6 R3•(R2 + R6)/R2•R7 или R5/R6 то
U_вых U_o•(1 + R2/R7)
Изменяя соотношение резисторов R2 и R7 можно установить требуемое значение выходного напряжения стабилизатора.

Таким образом, предлагаемый параметрический стабилизатор напряжения по первому варианту, обладая простотой конструкции, имеет возможность установления требуемого значения выходного напряжения.

На фиг. 3 приведена схема предлагаемого параметрического стабилизатора напряжения по второму варианту. Стабилизатор содержит резистивный делитель напряжения 1, выполненный на резисторах 2 и 3, первый крайний и средний выводы резистивного делителя напряжения 1 соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 4, второй крайний вывод резистивного делителя напряжения через ограничительный резистор 5 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 4 и первому выводу стабилитрона 6, первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения 1 соединены соответственно с выходной 8 и входной 9 клеммами, а второй вывод стабилитрона 6 подключен к шине нулевого потенциала.

Работает предлагаемый параметрический стабилизатор напряжения следующим образом. При подаче на клемму 9 входного напряжения U_вх, которое одновременно является напряжением питания операционного усилителя 4, на его входах возникают падения напряжения от токов, протекающих от источника входного напряжения через клемму 9 и через ограничительный резистор 5 и резистор 3 резистивного делителя напряжения 1:
U⁺ (U_вх•R6 + U_o•R5)/(R5 + R6),
U^- (U_вх•R2 + U_вых•R3)/(R2 + R3)
Поскольку входы операционного усилителя 4 эквипотенциальны, т.е. U⁺ U^-, можно определить значение выходного напряжения стабилизатора:

Если выполняется условие: R3•R6 R2•R5 0, т.е. R5/R6 R3/R2,
то
U_вых U_o
Таким образом, предлагаемый параметрический стабилизатор напряжения по второму варианту обладает простотой конструкции за счет обеспечения работы от одного источника питания. ЫЫЫ2

Стабилизатор напряжения, содержит резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены, соответственно, с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор подключен к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения, и через стабилитрон - к первому выводу регулирующего резистора выходную и входную клеммы, первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения соединены, соответственно, с выходной и входной клеммами, а средний вывод - с вторым выводом регулировочного резистора, первый вывод которого подключен к шине нулевого потенциала, причем отношение значения сопротивления ограничительного резистора к значению дифференциального сопротивления стабилитрона равно отношению значения сопротивления резистора делителя напряжения, соединенного с его вторым выводом к значению эквивалентного сопротивления параллельно соединенных регулировочного резистора и резистора делителя напряжения соединенного с его первым выводом. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Стабилизатор напряжения, содержащий резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор подключен к второму крайнему выводы резистивного делителя напряжения и через стабилитрон к первому выводу регулировочного резистора, выходную и входную клеммы, отличающийся тем, что первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения соединены соответственно с выходной и входной клеммами, а средний вывод с вторым выводом регулировочного резистора, первый вывод которого подключен к шине нулевого потенциала, причем отношение значения сопротивления ограничительного резистора к значению дифференциального сопротивления стабилитрона равно отношению значения сопротивления резистора делителя напряжения, соединенного с его вторым выводом, к значению эквивалентного сопротивления параллельно соединенных регулировочного резистора и резистора делителя напряжения, соединенного с его первым выводом. 2. Стабилизатор напряжения, содержащий резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, второй крайний вывод резистивного делителя напряжения через ограничительный резистор подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и первому выводу стабилитрона, выходную и входную клеммы, причем отношение значения сопротивления ограничительного резистора к значению дифференциального сопротивления стабилитрона равно отношению значения сопротивления резистора делителя напряжения, соединенного с его вторым выводом, к значению сопротивления резистора делителя напряжения, соединенного с его первым выводом, отличающийся тем, что первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения соединены соответственно с выходной и входной клеммами, а второй вывод стабилитрона подключен к шине нулевого потенциала.