СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H02M3/156 G05F1/613 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах вторичного электропитания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

В настоящее время известен стабилизатор постоянного напряжения (Datasheet search site Fairchild Semiconductor Corporation FAN7529) [1], содержащий регулирующий полевой транзистор, затвор которого шунтирован первым резистором, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода и первого вывода дросселя, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу, соединенному через входной конденсатор со вторым входным выводом, объединенным с первым выходным выводом, соединенным через выходной конденсатор с точкой соединения катода переключающего диода, второго выходного вывода и первого вывода выходного делителя напряжения, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу, а средняя точка - к измерительному входу блока управления, второй резистор.

Недостатком известного устройства является низкая надежность в связи с тем, что при большой скважности управляющего напряжения на затворе полевого транзистора (малых длительностях отпирающих импульсов) система управления стабилизатором постоянного напряжения теряет устойчивость регулирования и на выходе устройства возникают пульсации напряжения, превышающие предельно допустимые.

Наиболее близким к предлагаемому является стабилизатор постоянного напряжения (Datasheet search site Fairchild Semiconductor Corporation FAN4810 Evaluation Kit Users Guide) [1], содержащий регулирующий полевой транзистор, затвор которого шунтирован параллельной цепью из обратно включенного первого диода и первого резистора, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода и первого вывода дросселя, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу, соединенному через входной конденсатор со вторым входным выводом, объединенным с истоком регулирующего полевого транзистора и первым выходным выводом, соединенным через выходной конденсатор с точкой соединения катода переключающего диода, второго выходного вывода и первого вывода выходного делителя напряжения, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу, а средняя точка - к измерительному входу блока управления, общий вывод которого подключен к первому выходному выводу, эмиттерный повторитель, выходной вывод которого подсоединен к первому выводу второго резистора.

Недостатком прототипа является низкая надежность в связи с тем, что при большой скважности управляющего напряжения на затворе полевого транзистора (малых длительностях отпирающих импульсов) система управления стабилизатором постоянного напряжения теряет устойчивость регулирования и на выходе устройства возникают пульсации напряжения, превышающие предельно допустимые.

Задачей изобретения является повышение надежности стабилизатора постоянного напряжения.

Поставленная задача достигается тем, что в стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий полевой транзистор, затвор которого шунтирован параллельной цепью из обратно включенного первого диода и первого резистора, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода и первого вывода дросселя, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу, соединенному через входной конденсатор со вторым входным выводом, объединенным с истоком регулирующего полевого транзистора и первым выходным выводом, соединенным через выходной конденсатор с точкой соединения катода переключающего диода, второго выходного вывода и первого вывода выходного делителя напряжения, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу, а средняя точка - к измерительному входу блока управления, общий вывод которого подключен к первому выходному выводу, эмиттерный повторитель, выходной вывод которого подсоединен к первому выводу второго резистора, согласно изобретению введен разделительный конденсатор, включенный между вторым выводом второго резистора и затвором полевого транзистора, первый транзистор с нагрузочным резистором в цепи коллектора и дополнительный конденсатор, включенный между выводами коллектора и эмиттера первого транзистора, база которого подключена к выходному выводу блока управления, эмиттер - к первому выходному выводу, а коллектор - к входному выводу эмиттерного повторителя.

При этом в предложенном устройстве блок управления, например, может состоять из генератора импульсов, выход которого подключен к первому входу формирователя пилообразного напряжения и к первому входу схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу формирователя пилообразного напряжения, а третий вход - к выходу усилителя обратной связи, первый вход которого подсоединен к входному выводу блока управления, а второй вход - к выходу опорного элемента.

При этом эмиттерный повторитель может быть выполнен на основе комплементарной пары транзисторов, объединенные базы и эмиттеры которых образуют соответственно входной и выходной выводы эмиттерного повторителя. Кроме того, эмиттерный повторитель может быть выполнен на основе второго транзистора и второго диода, включенного параллельно переходу эмиттер - база второго транзистора.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На рис. 1, 2 приведена схема электрическая стабилизатора постоянного напряжения и его вариантов, на рис. 3 - диаграммы токов и напряжений на элементах устройства.

Стабилизатор постоянного напряжения на рис. 1 содержит регулирующий полевой транзистор 1, затвор которого шунтирован параллельной цепью из обратно включенного защитного диода 2 и первого резистора 3, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода 4 и первого вывода дросселя 5, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу, соединенному через входной конденсатор 6 со вторым входным выводом, объединенным с истоком регулирующего полевого транзистора 1 и первым выходным выводом, соединенным через выходной конденсатор 7 с точкой соединения катода переключающего диода 4, второго выходного вывода и первого вывода выходного делителя напряжения 8, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу, а средняя точка - к измерительному входу блока управления 9, общий вывод которого подключен к первому выходному выводу, эмиттерный повторитель 10, выполненный на рис. 1 на основе комплементарной пары транзисторов, объединенные базы и эмиттеры которых образуют соответственно входной и выходной выводы эмиттерного повторителя, выходной вывод которого подсоединен к первому выводу второго резистора 11, разделительный конденсатор 12, включенный между вторым выводом второго резистора 11 и затвором полевого транзистора 1, первый транзистор 13 с нагрузочным резистором 14 в цепи коллектора и дополнительный конденсатор 15, включенный между выводами коллектора и эмиттера первого транзистора 13, база которого подключена к выходному выводу блока управления 9, эмиттер - к первому выходному выводу, а коллектор - к входному выводу эмиттерного повторителя 10.

При этом в предложенном устройстве блок управления 9, например, может состоять из генератора импульсов 16, выход которого подключен к входу формирователя пилообразного напряжения 17 и к первому входу схемы сравнения 18, второй вход которой подключен к выходу формирователя пилообразного напряжения 17, а третий вход - к выходу усилителя обратной связи 19, первый вход которого подсоединен к входному выводу блока управления 9, а второй вход - к выходу опорного элемента 20.

На рис. 2 приведен пример выполнения стабилизатора постоянного напряжения, в котором эмиттерный повторитель выполнен на основе второго транзистора и второго диода, включенного параллельно переходу эмиттер - база второго транзистора.

На рис. 3 приведены:

- диаграмма напряжения 21 на выходе генератора импульсов 16;

- диаграмма напряжения 22 на втором и третьем входах схемы сравнения 18;

- диаграмма напряжения 23 на выходе блока управления 9;

- диаграмма напряжения 24 на выходе эмиттерного повторителя 10;

- диаграмма напряжения 25 на затворе полевого транзистора 1;

- диаграмма напряжения 26 на стоке полевого транзистора 1.

Стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом.

Рассмотрим работу устройства в установившемся режиме. Допустим в начальный момент времени t₀ (рис.3) на выходах генератора импульсов 16 и формирователя пилообразного напряжения 17 напряжение близко к нулю, при этом первый транзистор 13 с нагрузочным резистором 14 в цепи коллектора выключается. Через резистор 14 начинает заряжаться конденсатор 15 и на выходе эмиттерного повторителя 10 формируется импульс управления с пологим передним фронтом. Через резистор 11 и конденсатор 12 импульс управления поступает на затвор полевого транзистора 1, при этом, как известно, при напряжении его отпирания, в момент времени t₁, образуется задержка нарастания фронта отпирающего импульса на время формирования переднего фронта напряжения на стоке полевого транзистора 1, при отпирании которого диод 4 закрывается и в дросселе 5 начинается процесс накопления энергии от источника входного напряжения. В момент времени t₂ на входных выводах схемы сравнения 18 пилообразное напряжение пересекает напряжение с выхода усилителя обратной связи 19, при этом происходит изменение напряжения на выходе схемы сравнения 18 и на коллекторе первого транзистора 13. Конденсатор 15 разряжается и через эмиттерный повторитель 10, резистор 11 и конденсатор 12 формирует фронт запирания на затворе полевого транзистора 1, который запирается, и энергия, накопленная в дросселе 5, через диод 4, поступает в выходной конденсатор 7. С помощью регулирования скважности открытого и закрытого состояния полевого транзистора 1 напряжение на выходе стабилизатора постоянного напряжения поддерживается на заданном уровне. При изменении выходного напряжения, вызванного воздействием любого дестабилизирующего фактора, через делитель напряжения 8 происходит сравнение выходного напряжения с напряжением опорного элемента 20, и на выходе усилителя обратной связи 19 происходит соответствующее изменение выходного напряжения, которое изменяет момент срабатывания схемы сравнения 18, что вызывает изменение скважности управляющих импульсов первого транзистора 13 и, далее, полевого транзистора 1. При этом происходит компенсация изменения напряжения на выходе устройства на необходимую величину.

В известных устройствах по мере увеличения выходного напряжения длительность и скважность регулирующих импульсов полевого транзистора 1 увеличиваются, а длительность импульсов управления приближается к нулю. При этом усилительные элементы в промежутке между схемой сравнения 18 в связи с ограниченными амплитудно-частотными характеристиками переходят из линейного в резко нелинейную область преобразования. Это приводит к потере устойчивости системы стабилизации выходного напряжения и возникновению колебаний выходного напряжения с недопустимой амплитудой, что снижает надежность устройств.

Техническим результатом изобретения являются:

1. Введение дополнительного конденсатора 15 позволило затянуть фронт включения полевого транзистора 1 и при приближении длительности импульса управления на затворе полевого транзистора 1 к некоторой критической величине, например в момент времени t₃, полевой транзистор 1 перестает работать в ключевом режиме, а переходит в линейный режим работы и процесс накопления энергии в дросселе 5 замедляется. В дальнейшем при увеличении входного напряжения и снижении требуемой величины накопления энергии дросселем 5 снижается амплитуда импульса управления и величина изменения напряжения на стоке полевого транзистора 1, а длительность импульса управления (t₃, t₄, t₅) практически не изменяется. При этом удается избежать потери устойчивости системы стабилизации выходного напряжения и возникновения колебаний выходного напряжения с недопустимой амплитудой из-за перехода элементов блока управления из линейного в резко нелинейную область преобразования.

2. Введение разделительного конденсатора 12 позволяет избежать неопределенности в ограничении длительности импульса управления, при изменении напряжения срабатывания регулирующего полевого транзистора 1 и изменении выходных амплитудных характеристик блока управления 9 и эмиттерного повторителя 10, который обычно выполняется в виде комплементарной пары транзисторов, при воздействии любых дестабилизирующих факторов (температура, время, радиация и т.п.).

Кроме этого при достаточной мощности первого транзистора 13 возможно заменить диодом один из транзисторов комплементарной пары. При этом весь ток выключения полевого транзистора 1 будет замыкаться через первый транзистор 13.

Источники информации

1. http://www.fairchildsemi.com

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах вторичного электропитания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Технический результат - повышение надежности. Стабилизатор постоянного напряжения содержит регулирующий полевой транзистор, затвор которого шунтирован параллельной цепью из обратно включенного первого диода и первого резистора, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода и первого вывода дросселя, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу, соединенному через входной конденсатор со вторым входным выводом, объединенным с истоком регулирующего полевого транзистора и первым выходным выводом, соединенным через выходной конденсатор с точкой соединения катода переключающего диода, второго выходного вывода и первого вывода выходного делителя напряжения, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу, а средняя точка - к измерительному входу блока управления, общий вывод которого подключен к первому выходному выводу, эмиттерный повторитель, выходной вывод которого подсоединен к первому выводу второго резистора. Особенностью схемы является то, что введен разделительный конденсатор, включенный между вторым выводом второго резистора и затвором полевого транзистора, первый транзистор с нагрузочным резистором в цепи коллектора и дополнительный конденсатор, включенный между выводами коллектора и эмиттера первого транзистора, база которого подключена к выходному выводу блока управления, эмиттер - к первому выходному выводу, а коллектор - к входному выводу эмиттерного повторителя. При этом в предложенном устройстве блок управления, например, может состоять из генератора импульсов, выход которого подключен к входу формирователя пилообразного напряжения и к первому входу схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу формирователя пилообразного напряжения, а третий вход - к выходу усилителя обратной связи, первый вход которого подсоединен к входному выводу блока управления, а второй вход - к выходу опорного элемента. В рабочем режиме при большой скважности управляющего напряжения на затворе полевого транзистора (малых длительностях отпирающих импульсов) благодаря введению дополнительного конденсатора регулирующий полевой транзистор начинает работать в линейном режиме, ограничивая уменьшение длительности управляющего напряжения, что предотвращает потерю устойчивости регулирования стабилизатором постоянного напряжения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий полевой транзистор, затвор которого шунтирован параллельной цепью из обратно включенного первого диода и первого резистора, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода и первого вывода дросселя, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу, соединенному через входной конденсатор со вторым входным выводом, объединенным с истоком регулирующего полевого транзистора и первым выходным выводом, соединенным через выходной конденсатор с точкой соединения катода переключающего диода, второго выходного вывода и первого вывода выходного делителя напряжения, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу, а средняя точка - к измерительному входу блока управления, общий вывод которого подключен к первому выходному выводу, эмиттерный повторитель, выходной вывод которого подсоединен к первому выводу второго резистора, отличающийся тем, что введен разделительный конденсатор, включенный между вторым выводом второго резистора и затвором полевого транзистора, первый транзистор с нагрузочным резистором в цепи коллектора и дополнительный конденсатор, включенный между выводами коллектора и эмиттера первого транзистора, база которого подключена к выходному выводу блока управления, эмиттер - к первому выходному выводу, а коллектор - к входному выводу эмиттерного повторителя;

2. Стабилизатор по п. 1, отличающийся тем, что эмиттерный повторитель выполнен на основе комплементарной пары транзисторов, объединенные базы и эмиттеры которых образуют соответственно входной и выходной выводы эмиттерного повторителя;

3. Стабилизатор по п. 1, отличающийся тем, что эмиттерный повторитель выполнен на основе второго транзистора и второго диода, включенного параллельно переходу эмиттер - база второго транзистора.