ИСТОЧНИК СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ТОКА Российский патент 2002 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при построении систем электропитания стабилизированным током дорогостоящих и ответственных нагрузок, например фокусирующих линз электронных микроскопов, полупроводниковых лазеров и др.

Известен источник стабилизированного тока, содержащий источник управляющего напряжения, нагрузку, первый вывод которой соединен с первым электродом регулирующего транзистора, второй электрод которого соединен с первым выводом резисторного датчика тока, второй вывод последнего соединен с первым выводом источника питания, второй вывод которого соединен со вторым выводом нагрузки, причем источник управляющего напряжения включен между управляющим электродом регулирующего транзистора и первым выводом источника питания [1]. Требуемое значение тока в нагрузке устанавливается регулировкой значения управляющего напряжения.

К недостаткам данного технического решения можно отнести нелинейную регулировочную характеристику экспоненциального вида, температурную зависимость тока нагрузки и пониженную надежность при отказе элементов управляющей цепи. Так, например, при обрыве в цепи источника управляющего напряжения либо при несанкционированном увеличении управляющего напряжения по причине аварии или помех ток нагрузки может значительно превысить предельно допустимое значение, установленное для данной нагрузки и регулирующего транзистора.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный источник стабилизированного тока, содержащий источник управляющего напряжения, нагрузку, первый вывод которой соединен с первым электродом регулирующего транзистора, второй электрод которого соединен с первым выводом резисторного датчика тока, его второй вывод соединен с первым выводом источника питания, второй вывод последнего соединен со вторым выводом нагрузки, первый усилитель, первый вывод питания которого соединен с первым выводом источника питания, второй вывод питания усилителя - с одним из выводов нагрузки, а выход усилителя - с управляющим электродом регулирующего транзистора [2].

Недостатками известного технического решения являются пониженный кпд и увеличенный нагрев регулирующего транзистора вследствие того, что выводы питания усилителя подключены параллельно цепи "регулирующий транзистор - резисторный датчик тока". Такое включение препятствует уменьшению падения напряжения на указанных элементах менее 1,5...2 В, минимально необходимых для нормальной работы усилителя.

Другим важным недостатком рассматриваемого технического решения является уязвимость нагрузки и регулирующего транзистора в случае неисправностей, возникающих в цепи управления во время работы. Так при аварийном увеличении управляющего напряжения сверх предельно допустимого значения вследствие неисправностей, помех и т.д. ток в нагрузке будет изменяться пропорционально изменению указанного напряжения, что в ряде случаев недопустимо и может вывести из строя как нагрузку, так и регулирующий транзистор.

Технической задачей настоящего изобретения является увеличение надежности, повышение кпд и расширение функциональных возможностей источника стабилизированного тока.

Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается источник стабилизированного тока, содержащий источник управляющего напряжения, нагрузку, первый вывод которой соединен с коллектором регулирующего транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом резисторного датчика тока, его второй вывод соединен с первым выводом источника питания, второй вывод последнего соединен со вторым выводом нагрузки, первый усилитель, первый вывод питания которого соединен с первым выводом источника питания, второй вывод питания усилителя соединен с одним из выводов нагрузки, а выход усилителя - с базой регулирующего транзистора, причем в него введены первый и второй резисторы, второй усилитель и источник образцового напряжения, при этом неинвертирующий вход первого усилителя соединен через источник образцового напряжения с первым выводом питания первого усилителя, второй вывод питания которого соединен со вторым выводом источника питания, инвертирующий вход первого усилителя соединен через первый резистор с эмиттером регулирующего транзистора и неинвертирующим входом второго усилителя, а через второй резистор - с выходом второго усилителя, инвертирующий вход которого через источник управляющего напряжения соединен с первым выводом питания второго усилителя, подключенным к первому выводу источника питания, а второй вывод питания второго усилителя соединен со вторым выводом источника питания.

Аналогично поставленную техническую задачу можно решить, применяя в источнике стабилизированного тока в качестве регулирующего униполярный транзистор. Тогда в предлагаемый источник стабилизированного тока, содержащий источник управляющего напряжения, нагрузку, первый вывод которой соединен со стоком регулирующего транзистора, исток которого соединен с первым выводом резисторного датчика тока, его второй вывод соединен с первым выводом источника питания, второй вывод последнего соединен со вторым выводом нагрузки, первый усилитель, первый вывод питания которого соединен с первым выводом источника питания, второй вывод питания усилителя соединен с одним из выводов нагрузки, а выход усилителя - с затвором регулирующего транзистора, введены первый и второй резисторы, второй усилитель и источник образцового напряжения, при этом неинвертирующий вход первого усилителя соединен через источник образцового напряжения с первым выводом питания первого усилителя, второй вывод питания которого соединен со вторым выводом источника питания, инвертирующий вход первого усилителя соединен через первый резистор с истоком регулирующего транзистора и неинвертирующим входом второго усилителя, а через второй резистор - с выходом второго усилителя, инвертирующий вход которого через источник управляющего напряжения соединен с первым выводом питания второго усилителя, подключенным к первому выводу источника питания, а второй вывод питания второго усилителя соединен со вторым выводом источника питания.

Введение в устройство дополнительных элементов и новых неочевидных связей позволило исключить влияние аварийных режимов на надежность нагрузки и регулирующего транзистора, а также уменьшить минимально необходимое падение напряжения на цепи "регулирующий транзистор - резисторный датчик тока". Это приводит к увеличению эксплуатационной надежности источника стабилизированного тока и повышает его кпд, что расширяет область применения и функциональные возможности последнего.

Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования и не требует регулировки, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.

На чертеже приведена функциональная схема источника стабилизированного тока.

Предлагаемый источник стабилизированного тока содержит первый 1 и второй 2 усилители, первый 3 и второй 4 резисторы, источник образцового напряжения 5, нагрузку 6, регулирующий транзистор 7, резисторный датчик тока 8, источник питания 9 и источник управляющего напряжения 10.

В предлагаемом источнике стабилизированного тока первые выводы питания первого и второго усилителей 1 и 2 соединены с первым выводом источника питания 9 и вторым выводом резисторного датчика тока 8, а их вторые выводы питания - со вторыми выводами нагрузки 6 и источника питания 9. Первый вывод нагрузки 6 соединен со стоком регулирующего транзистора 7, исток которого соединен с первым выводом резисторного датчика тока 8 и неинвертирующим входом второго усилителя 2. Выход первого усилителя 1 соединен с затвором регулирующего транзистора 7, а его неинвертирующий вход через источник образцового напряжения 5 подключен к первому выводу источника питания 9. Инвертирующий вход первого усилителя 1 через первый резистор 3 подключен к первому выводу резисторного датчика тока 8, а через второй резистор 4 - к выходу второго усилителя 2, инвертирующий вход которого через источник управляющего напряжения 10 соединен с первым выводом источника питания 9.

Для определенности на чертеже в качестве регулирующего показан униполярный транзистор, хотя с равным успехом может быть применен и биполярный. При этом коллектор биполярного транзистора должен быть подключен вместо стока униполярного транзистора, эмиттер - вместо истока, а база - вместо затвора соответственно.

Предлагаемый источник стабилизированного тока работает следующим образом. При поданном напряжении питания U_пит напряжения на обоих входах первого усилителя 1 U_вх1 равны напряжению источника образцового напряжения 5 U_oбp: U_вх1=U_обр.

Напряжения на обоих входах второго усилителя 2 U_вх2 равны напряжению источника управляющего напряжения 10 U_упр, которое, в свою очередь, равно напряжению на резисторном датчике тока 8 U_Rдт: U_вх2=U_Rдт=U_ynp, поэтому при изменении управляющего напряжения в диапазоне от 0 до U_oбp величина тока нагрузки определяется из выражения: I_н=U_ynp/R_дт.

Напряжение на инвертирующем входе первого усилителя 1 U_вх1- определяется суммой двух напряжений - напряжения на резисторном датчике тока 8 U_Rдт и падения напряжения на первом резисторе 3 U_R1: U_вх1-=U_Rдт+U_R1=U_oбp.

При U_упр= 0 выходное напряжение второго усилителя 2 U_вых2 максимально и определяется из выражения: U_{вых2макс}=U_o6p*(l+R2/R1).

В этом случае ток нагрузки I_н=0, а напряжение на инвертирующем входе первого усилителя 1 U_вх1-=U_R1=U_oбp, поэтому для нормальной работы предлагаемого источника стабилизированного тока должны выполняться следующие условия: U_питмин U_{вых2макс}.

С увеличением управляющего напряжения увеличивается напряжение на резисторном датчике тока 8 U_Rдт и уменьшается падение напряжения на первом резисторе 3 U_R1, а их сумма остается постоянной и равной U_o6p. При максимально допустимом значении управляющего напряжения U_упр=U_oбp выходное напряжение второго усилителя 2 U_вых2= 0, а ток нагрузки максимален и равен I_нмакс= U_o6p*(1+R1/R2).

Если по какой-либо причине управляющее напряжение U_упр продолжает увеличиваться сверх максимально допустимого значения U_o6p, выходное напряжение второго усилителя 2 U_вых2=0 и увеличения тока нагрузки не происходит.

Источники стабилизированного тока промышленного изготовления всегда выполняются в виде единого узла, блока, зачастую вместе с нагрузкой для получения максимально высокой надежности. Органы же управления током нагрузки находятся в удобном для регулирования месте, иногда на значительном расстоянии от источника стабилизированного тока, на панели управления прибора или в другом блоке того же прибора, что увеличивает вероятность аварийных ситуаций во время его эксплуатации. Кроме того, сами органы управления (вплоть до механических) и способы их подключения (провода и разъемы) имеют существенно меньшую надежность, чем собственно узел источника стабилизированного тока. Указанные причины увеличивают вероятность появления нештатного режима в регулирующем транзисторе и нагрузке, при котором через них проходит ток больше предельно допустимого, что приводит к отказу регулирующего транзистора и выходу из строя нагрузки. Введение дополнительных элементов и неочевидных связей позволяет исключить такого рода отказы, что повышает эксплуатационную надежность предлагаемого источника стабилизированного тока по сравнению с прототипом.

Новые связи позволяют значительно уменьшить минимально допустимое падение напряжения на элементах "регулирующий транзистор - резисторный датчик тока". В изготовленном образце это напряжение составляет около 0,25 В по сравнению с 1,5...2 В у прототипа, что значительно увеличивает кпд предлагаемого источника стабилизированного тока и уменьшает его нагрев по сравнению с прототипом.

Совокупность рассмотренных преимуществ предлагаемого источника стабилизированного тока расширяет его функциональные возможности по сравнению с прототипом, позволяет уменьшить его массогабаритные характеристики и увеличить ресурс работы.

Источники информации
1. "В помощь радиолюбителю": Сборник. Вып. 92/ Сост. Б.Г. Успенский. - М.: ДОСААФ, 1986, - 78 с., ил. с. 42, рис 1б.)
2. Патент США 4618814, кл. 323-280, 1986 г.

Изобретение предназначено для использования при построении систем электропитания стабилизированным током дорогостоящих и ответственных нагрузок, например фокусирующих линз электронных микроскопов, полупроводниковых лазеров и др. Предложен источник стабилизированного тока, который содержит первый и второй усилители, первый и второй резисторы, источник образцового напряжения, нагрузку, регулирующий транзистор, резисторный датчик тока, источник питания и источник управляющего напряжения. В источнике стабилизированного тока первые выводы питания первого и второго усилителей соединены с первым выводом источника питания 9 и вторым выводом резисторного датчика тока, а их вторые выводы питания - с вторыми выводами нагрузки и источника питания, первый вывод нагрузки соединен с первым электродом регулирующего транзистора, второй электрод которого соединен с первым выводом резисторного датчика тока и неинвертирующим входом второго усилителя, выход первого усилителя соединен с управляющим электродом регулирующего транзистора, а его неинвертирующий вход через источник образцового напряжения подключен к первому выводу источника питания, инвертирующий вход первого усилителя через первый резистор подключен к первому выводу резисторного датчика тока, а через второй резистор - к выходу второго усилителя, инвертирующий вход которого через источник управляющего напряжения соединен с первым выводом источника питания. Технический результат - повышение кпд. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Источник стабилизированного тока, содержащий источник управляющего напряжения, нагрузку, первый вывод которой соединен с коллектором регулирующего транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом резисторного датчика тока, его второй вывод соединен с первым выводом источника питания, второй вывод последнего соединен с вторым выводом нагрузки, первый усилитель, первый вывод питания которого соединен с первым выводом источника питания, второй вывод питания - с одним из выводов нагрузки, а его выход - с базой регулирующего транзистора, отличающийся тем, что введены первый и второй резисторы, второй усилитель и источник образцового напряжения, при этом неинвертирующий вход первого усилителя соединен через источник образцового напряжения с первым выводом питания первого усилителя, второй вывод питания которого соединен с вторым выводом источника питания, инвертирующий вход первого усилителя соединен через первый резистор с эмиттером регулирующего транзистора и неинвертирующим входом второго усилителя, а через второй резистор - с выходом второго усилителя, инвертирующий вход которого через источник управляющего напряжения соединен с первым выводом питания второго усилителя, подключенным к первому выводу источника питания, второй вывод питания второго усилителя соединен с вторым выводом источника питания. 2. Источник стабилизированного тока, содержащий источник управляющего напряжения, нагрузку, первый вывод которой соединен со стоком регулирующего транзистора, исток которого соединен с первым выводом резисторного датчика тока, его второй вывод соединен с первым выводом источника питания, второй вывод последнего соединен с вторым выводом нагрузки, первый усилитель, первый вывод питания которого соединен с первым выводом источника питания, второй вывод питания - с одним из выводов нагрузки, а его выход - с затвором регулирующего транзистора, отличающийся тем, что введены первый и второй резисторы, второй усилитель и источник образцового напряжения, при этом неинвертирующий вход первого усилителя соединен через источник образцового напряжения с первым выводом питания первого усилителя, второй вывод питания которого соединен с вторым выводом источника питания, инвертирующий вход первого усилителя соединен через первый резистор с истоком регулирующего транзистора и неинвертирующим входом второго усилителя, а через второй резистор - с выходом второго усилителя, инвертирующий вход которого через источник управляющего напряжения соединен с первым выводом питания второго усилителя, подключенным к первому выводу источника питания, второй вывод питания второго усилителя соединен с вторым выводом источника питания.