ПОНИЖАЮЩИЙ СТАБИЛИЗАТОР Российский патент 2008 года по МПК G05F1/565 

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в качестве блока питания.

Известен понижающий стабилизатор (см. патент RU 2282233 C1, кл. G05F 1/567, 31.01.2005, опубл. 20.08.2006, БИ № 23 «Импульсный стабилизатор» авт. Гутников А.И., Лебедев А.В.), содержащий последовательный регулирующий транзистор, эмиттер которого соединен через первый резистор с положительной входной клеммой и эмиттером транзистора защиты, коллектор подключен к положительной выходной клемме через LCD-фильтр, выход которого соединен с выходными клеммами стабилизатора, база регулирующего транзистора подключена к одному из выводов второго резистора и коллектору транзистора защиты, тип проводимости которого соответствует типу проводимости регулирующего транзистора, и блок управления, вход питания которого соединен с входной и выходной отрицательными клеммами, дополнительный транзистор, выполненный в виде составного транзистора, тип проводимости которого противоположен типу проводимости регулирующего транзистора, германиевый диод или диод Шоттки, третий, четвертый, пятый резисторы и резистор обратной связи. Блок управления снабжен управляющим входом и его выход выполнен инверсным, подключенным к базе дополнительного транзистора и через третий резистор - к эмиттеру транзистора защиты, база которого подключена к катоду германиевого диода или диода Шоттки, анод которого подключен к эмиттеру регулирующего транзистора, а через четвертый резистор - к эмиттеру дополнительного транзистора и входу питания блока управления, управляющий вход которого через пятый резистор соединен с коллектором дополнительного транзистора и другим выводом второго резистора и через резистор обратной связи - с положительной выходной клеммой, при этом регулирующий транзистор является транзистором р-n-р типа.

Недостатками понижающего стабилизатора являются:

- большие токи базы регулирующего и защитного биполярных транзисторов, уменьшающие к.п.д.;

- большое проходное напряжение из-за потерь напряжения на первом резисторе, подключенном к цепи эмиттеров регулирующего и защитного транзисторов;

- ограниченные функциональные возможности (конструктивно не унифицирован), обусловленные структурой устройства управления, подключением цепи обратной связи к пятому резистору задания гистерезиса и использованием сглаживающего фильтра LCD-типа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является понижающий стабилизатор (см. журнал «Электронные компоненты», 2005, № 9, статья «Линейные стабилизаторы» стр.124, рис.4 и п.п.1, 2), содержащий дифференциальный операционный усилитель (ОУ), инвертирующий вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а неинвертирующий вход подключен к точке объединения первых выводов первого и второго резисторов, второй вывод первого резистора подключен к выходу сглаживающего фильтра С-типа, подключенного к выходной шине, второй вывод второго резистора подключен к общей шине, выход дифференциального ОУ подключен к затвору р-канального проходного транзистора с изолированным затвором, исток которого подключен к входной шине, а сток - к входу сглаживающего фильтра С-типа.

Недостатками понижающего стабилизатора являются:

- отсутствие защиты р-канального проходного транзистора от пусковых токов и токов короткого замыкания на выходе, обусловленное неограниченным током стока транзистора из-за неограниченного роста, отсутствия ограничения и термокомпенсации управляющего напряжения на затворе р-канального проходного транзистора при изменении напряжений на входной шине. Известная защита от короткого замыкания проходного биполярного р-n-р-транзистора непригодна для защиты р-канального проходного транзистора с изолированным затвором и не обеспечивает унификации конструкции;

- повреждение большими пусковыми токами и токами короткого замыкания аккумулятора, подключенного к входной шине, и танталового конденсатора сглаживающего фильтра С-типа;

- не обеспечена унификация конструкции, т.к. понижающий стабилизатор обеспечивает только функцию линейного стабилизатора.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении защиты от пусковых токов, токов короткого замыкания на выходе и унификации конструкции понижающего стабилизатора.

Для достижения данного технического результата в понижающем стабилизаторе, содержащем р-канальный проходной транзистор с изолированным затвором, исток которого подключен к входной шине, а сток - подключен к входу сглаживающего фильтра, выход которого подключен к выходной шине и первому выводу первого резистора, второй вывод которого подключен через второй резистор к общей шине и к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения, инвертирующий вход которого подключен к источнику опорного напряжения, новым является то, что дополнительно введены третий и четвертый резисторы, стабилитрон, цепь n последовательно соединенных диодов, диод, параллельная RC-цепь, конденсатор, первый вывод которого подключен к выходу сглаживающего фильтра, а второй вывод подключен к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения, выход которого соединен с первым выводом третьего резистора, анодом диода и через четвертый резистор с входной шиной, к которой подключен катод стабилитрона, анод которого соединен со вторым выводом третьего резистора и катодом первого диода из цепи n последовательно соединенных диодов, анод последнего диода цепи соединен с затвором р-канального проходного транзистора с изолированным затвором, катодом диода и через параллельную RC-цепь с входной шиной.

Для расширения динамического диапазона и повышения к.п.д. сглаживающий фильтр выполнен в виде LCD-фильтра. При этом образуется импульсный стабилизатор с минимальным проходным напряжением, широким динамическим диапазоном входных напряжений и допустимыми пульсациями выходного напряжения.

Для уменьшения уровня пульсаций на выходной шине сглаживающий фильтр выполнен в виде CLC-фильтра или С-фильтра. При этом образуется линейный стабилизатор с минимальными проходным напряжением и пульсациями напряжения.

Указанная совокупность признаков позволяет обеспечить защиту от пусковых токов, токов короткого замыкания и унифицировать конструкцию понижающего стабилизатора.

Защита от пусковых токов и стабилизация тока короткого замыкания понижающего стабилизатора обеспечиваются путем ограничения и температурной стабилизации величины его тока ограниченным и термозависимым управляющим напряжением на затворе р-канального проходного транзистора с изолированным затвором вновь введенными цепями со сторон входной и выходной шин. При такой защите обеспечена унификация конструкции, которая достигается заменой одного из трех элементов сглаживающего фильтра, что преобразует импульсный понижающий стабилизатор в линейный и наоборот.

На фиг.1 и 2 приведена структурная схема понижающего стабилизатора с двумя видами сглаживающего фильтра: LCD и CLC типа соответственно. На фиг.3 приведены временные диаграммы его работы.

Предлагаемый понижающий стабилизатор (фиг.1) содержит р-канальный проходной транзистор 1 с изолированным затвором, входную шину 2, сглаживающий фильтр 3, выходную шину 4, первый резистор 5, второй резистор 6, дифференциальный компаратор напряжения 7, источник 8 опорного напряжения, третий резистор 9, четвертый резистор 10, стабилитрон 11, цепь 12 n последовательно соединенных диодов (где n=2), диод 13, параллельную RC-цепь 14, конденсатор 15.

Исток р-канального проходного транзистора 1 с изолированным затвором подключен к входной шине 2, а сток подключен к входу сглаживающего фильтра 3, выход которого подключен к выходной шине 4 и первому выводу первого резистора 5. Второй вывод первого резистора 5 подключен через второй резистор 6 к общей шине и к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения 7, инвертирующий вход которого подключен к источнику 8 опорного напряжения. Первый вывод конденсатора 15 подключен к выходу сглаживающего фильтра 3, а второй вывод подключен к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения 7. Выход дифференциального компаратора напряжения 7 соединен с первым выводом третьего резистора 9, анодом диода 13 и через четвертый резистор 10 с входной шиной 2. Катод стабилитрона 11 подключен к входной шине 2, а анод соединен со вторым выводом третьего резистора 9 и катодом первого диода из цепи 12 n последовательно соединенных диодов, анод последнего диода из которой соединен с затвором р-канального проходного транзистора 1 с изолированным затвором, катодом диода 13 и через параллельную RC-цепь 12 с входной шиной 2. Сглаживающий фильтр 3 (фиг.1) выполнен в виде LCD-фильтра. Сглаживающий фильтр 3 (фиг.2) выполнен в виде CLC-фильтра.

Понижающий стабилизатор напряжения с LCD-фильтром 3 работает следующим образом.

На фиг.3,а представлена временная диаграмма L₄ напряжения на выходе 4 понижающего стабилизатора при нормальной нагрузке, на фиг.1, фиг.2 не показанной, и воздействии температуры окружающей среды от минус 40 до плюс 50°С, для различных входных напряжений, на фиг.3,а не показанных. В начале диаграммы фиг.3,а виден переходной процесс различной протяженности для воздействующих температур, затем напряжение на выходе U₄ достигает стабилизированного значения, не зависящего от величины входного напряжения и сопротивления нагрузки с точностью, определяемой в основном коэффициентами усиления дифференциального компаратора 7 и р-канального проходного транзистора 1, а также стабильностью источника 8 опорного напряжения.

На фиг.3,б представлена временная диаграмма I₄ тока короткого замыкания на выходе понижающего стабилизатора при нагрузке 1 Ом и воздействии температуры окружающей среды от минус 40 до плюс 50°С. Вначале временной диаграммы (фиг.3,б) виден участок переходного процесса различной величины пускового тока, определяемого RC-цепью 14, диодами 12, резистором 9 и конденсатором 15. Затем ток короткого замыкания практически стабилен и не зависит от температуры окружающей среды, необходимая величина стационарного тока короткого замыкания определяется выбором порогового напряжения стабилитрона 11 и количеством термокомпенсирующих диодов 12.

Особенностью понижающего стабилизатора с LCD-фильтром является работа с высоким к.п.д. в диапазоне входных напряжений (5,2-36) В на нагрузках (50-20000) Ом при встроенной защите от короткого замыкания. Понижающий стабилизатор работоспособен при воздействии температур от минус 40 до плюс 50°С.

Стабилизация выходного напряжения на нагрузке обеспечивается путем сравнения величины опорного напряжения источника 8 на инвертирующем входе дифференциального компаратора напряжения 7 и выходного напряжения резистивного делителя на резисторах 5, 6 на его неинвертирующем входе.

В зависимости от результатов сравнения выход дифференциального компаратора напряжения 7 через цепи защиты от короткого замыкания открывает или закрывает р-канальный проходной транзистор 1, обеспечивая астатическое регулирование. В течение примерно полупериода р-канальный транзистор 1 открыт, благодаря чему емкость и индуктивность LCD-фильтра 3 заряжаются от напряжения на входной шине 2. В течение следующего полупериода р-канальный транзистор 1 закрыт, благодаря чему емкость и индуктивность LCD-фильтра 3 разряжаются через собственный диод LCD-фильтра 3. В момент пуска (подача на входную шину 2 входного напряжения) р-канальный проходной транзистор 1 пытается резко открыться, чему препятствует подача короткого импульса спадающего напряжения экспоненциальной формы через конденсатор 15 первой дифференцирующей цепи С 15, R6 на запирающий неинвертирующий вход дифференциального компаратора напряжения 7. Это несколько уменьшает скорость нарастания отпирающего напряжения на затворе и величину пускового тока. Вторая дифференцирующая цепь, существенно уменьшающая скорость нарастания отпирающего напряжения на затворе и величину пускового тока, образована диодно-резистивно-конденсаторной цепью (элементы 11-14, 9) на затворе проходного транзистора 1 и действует в основном в режиме пуска, т.к. в стационарном режиме конденсатор RC-цепи 14 полностью заряжен. Кроме того, в режиме короткого замыкания вступает в действие вторая токостабилизирующая, термокомпенсирующая определенный ток стока цепь путем ограничения (вне зависимости от величины напряжения на входной шине 2) и термокомпенсации тока стока изменением управляющего напряжения на затворе р-канального проходного транзистора 1, которое равно разности напряжений на стабилитроне 11 и цепи из n последовательно соединенных диодов 12 Шоттки. При напряжении на затворе, большем порогового напряжения, температурные коэффициенты крутизны и тока стока р-канального проходного транзистора 1 отрицательны, температурный коэффициент напряжения стабилитрона 11 мал или положителен, но температурный коэффициент напряжения компенсирующих диодов 12 Шоттки отрицателен, что и необходимо для изменения управляющего напряжения на затворе и, следовательно, термокомпенсации и стабилизации тока стока р-канального проходного транзистора 1 и понижающего стабилизатора в целом. Количеством диодов 12 Шоттки подбирается как величина исходного напряжения на затворе, так и знак температурного коэффициента напряжения суммарного итогового управляющего напряжения на затворе. Резистор 10 на выходе дифференциального компаратора напряжения 7 необходим для повышения выходного напряжения запертого дифференциального компаратора напряжения 7 до уровня напряжения на входной шине 2, что исключает неуправляемые отпирания р-канального полевого транзистора 1 с изолированным затвором выходным втекающим током дифференциального компаратора напряжения 7.

Работа понижающего стабилизатора со сглаживающим фильтром 3 типа CLC (фиг.2) или С (на фиг. не показан) с точки зрения защит не отличается от вышеописанной, уровень пульсаций меньше, к.п.д. ниже.

Макетирование понижающего стабилизатора проводилось для диапазона температур от минус 40 до плюс 50°С. Шина питания дифференциального компаратора напряжения 7 типа 1401СА1 подключена к входной шине с напряжением (5,2-36) В.

Величина выходного напряжения U₄ регулируемая, зависит от напряжения U₈ источника 8 опорного напряжения, сопротивлений резисторов 5, 6 и определяется по формуле .

Стабильность напряжения U₄ для прецизионных стабилитрона 2С120 В и резисторов С2-29 В не превышает 1%. Стабилитрон 11 2С147А, диоды 12 в затворе - Шоттки 2Д419В, диод 13 типа 2Д522Б, диод сглаживающего LCD-фильтра 3 2Д288, его дроссель выполнен на сердечнике МП140-4, его конденсатор типа К52-1Б, р-канальный проходной транзистор 1 с изолированным затвором типа 2П712А, конденсатор 15 и конденсатор RC-цепи 14 типа К10-50В. Понижающий стабилизатор обеспечивает стабилизацию выходного напряжения 5 В при входном напряжении (5,2-36) В и различных токах. Величина выходного тока регулируемая, зависит от крутизны S транзистора 1, напряжения U₁₁ стабилитрона 11, суммы напряжений nU₁₂ на диодах 12 и определяется по формуле I₄=S(U₁₁-nU₁₂). Пусковой ток и ток короткого замыкания ограничены заданной величиной 1А. При минимальном входном напряжении 5 В выходное напряжение становится нестабилизированным и уменьшается на 0,2 В: L₄=4,8 В.

Обеспечена унификация конструкции: замена диода 2Д288 на конденсатор К52-1Б в сглаживающем фильтре 3 позволяет преобразовать импульсный стабилизатор в линейный и наоборот.

Понижающий стабилизатор реализован на выпускаемых отечественной промышленностью и имеющихся в ограничительных перечнях электрорадиоэлементах, не требует применения зарубежного контроллера LM3485.

Понижающий стабилизатор относится к области электрорадиотехники и может быть использован в качестве блоков питания. Исток р-канального проходного транзистора (1) с изолированным затвором подключен к входной шине (2), а сток подключен к входу сглаживающего фильтра (3). Выход сглаживающего фильтра (3) подключен к выходной шине (4) и первому выводу первого резистора (5). Второй вывод первого резистора (5) подключен через второй резистор (6) к общей шине и к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения (7). Инвертирующий вход дифференциального компаратора напряжения (7) подключен к источнику (8) опорного напряжения. Первый вывод конденсатора (15) подключен к выходу сглаживающего фильтра (3), а второй вывод подключен к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения (7). Выход дифференциального компаратора напряжения (7) соединен с первым выводом третьего резистора (9), анодом диода (13) и через четвертый резистор (10) с входной шиной (2). Катод стабилитрона (11) подключен к входной шине (2), а анод соединен со вторым выводом третьего резистора (9) и катодом первого диода из цепи n последовательно соединенных диодов (12) (где n=2), анод последнего диода из которой соединен с затвором р-канального проходного транзистора (1) с изолированным затвором, катодом диода (13) и через параллельную RC-цепь (12) с входной шиной (2). Сглаживающий фильтр (3) выполнен в виде LCD-фильтра. За счет вновь введенных цепей со сторон входной и выходной шин ограниченным и термозависимым управляющим напряжением на затворе р-канального проходного транзистора обеспечивается технический результат - ограничивается и термостабилизируется величина тока, что обеспечивает защиту от пусковых токов и стабилизацию токов короткого замыкания. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Понижающий стабилизатор, содержащий р-канальный проходной транзистор с изолированным затвором, исток которого подключен к входной шине, а сток подключен к входу сглаживающего фильтра, выход которого подключен к выходной шине и первому выводу первого резистора, второй вывод которого подключен через второй резистор к общей шине и к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения, инвертирующий вход которого подключен к источнику опорного напряжения, отличающийся тем, что дополнительно введены третий и четвертый резисторы, стабилитрон, цепь n последовательно соединенных диодов, диод, параллельная RC-цепь, конденсатор, первый вывод которого подключен к выходу сглаживающего фильтра, а второй вывод подключен к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения, выход которого соединен с первым выводом третьего резистора, анодом диода и через четвертый резистор с входной шиной, к которой подключен катод стабилитрона, анод которого соединен со вторым выводом третьего резистора и катодом первого диода из цепи n последовательно соединенных диодов, анод последнего диода цепи соединен с затвором р-канального проходного транзистора с изолированным затвором, катодом диода и через параллельную RC-цепь с входной шиной.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сглаживающий фильтр выполнен в виде LCD-фильтра.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сглаживающий фильтр выполнен в виде CLC-фильтра или С-фильтра.