Стабилизатор напряжения питания электронных схем Российский патент 2022 года по МПК G05F1/565 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения питания при создании микромощных электронных схем с автономным электропитанием.

Уровень техники

Известен стабилизатор постоянного напряжения [SU А.С. №1129594 Стабилизатор постоянного напряжения], содержащий включенный в силовую цепь регулирующий транзистор, узел обратной связи, входы которого подключены к выходному выводу и общей шине, а выход к базе регулирующего транзистора и через регулируемый двухполюсник к входному выводу, причем регулируемый двухполюсник выполнен в виде параллельно соединенных потенциометра и λ-транзистора, состоящего из двух включенных последовательно полевых транзисторов разного типа проводимости, при этом сток первого транзистора подключен к входному выводу, затвор первого транзистора соединен со стоком второго транзистора и базой регулирующего транзистора, затвор второго транзистора является управляющим выводом λ-транзистора и подключен к средней точке потенциометра, крайние выводы которого подключены между входным выводом и базой регулирующего транзистора.

Недостатком данного устройства является значительная сложность схемной реализации.

Известен стабилизатор напряжения питания электронных схем (патент RU № 2727713, МПК G05F 3/16).

Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержит: регулирующий биполярный транзистор n-p-n типа в виде эмиттерного повторителя, коллектор которого подключен к потенциальному выходу нестабильного источника напряжения; полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом, сток которого соединен с коллектором регулирующего транзистора; потенциометр в виде двух последовательно соединенных резисторов, при этом свободный вывод первого резистора присоединен к базе регулирующего транзистора; и нагрузку, включенную между эмиттером биполярного транзистора и общей шиной источника, исток полевого транзистора подключен к точке соединения базы биполярного транзистора и первого резистора, затвор полевого транзистора подключен к точке соединения первого и второго резисторов, а свободный вывод второго резистора соединен с общей шиной через два последовательно включенных в прямом направлении полупроводниковых диода.

Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:

- низким коэффициентом полезного действия по мощности;

- низким коэффициентом стабилизации по напряжению;

- низким коэффициентом стабилизации тока по входному напряжению.

Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор напряжения питания электронных схем (патент RU № 2755670, МПК G05F 1/565).

Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержащий нестабильный источник напряжения, полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом, первый и второй резисторы, полевой транзистор с индуцированным n-каналом, нагрузку, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства, исток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора с индуцированным n-каналом и первому выводу первого резистора, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, исток полевого транзистора с индуцированным n-каналом через нагрузку подключен к общей шине источника напряжения.

Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:

- низким коэффициентом полезного действия по мощности;

- низким коэффициентом стабилизации по напряжению;

- низким коэффициентом стабилизации тока по входному напряжению.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей.

Технический результат достигается тем, что в стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий: нестабильный источник напряжения; полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом; резистор; полевой транзистор с индуцированным n-каналом; нагрузку, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора с индуцированным n-каналом и первому выводу резистора, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом; исток полевого транзистора с индуцированным n-каналом через нагрузку подключен к общей шине устройства, введены полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом, второй и третий резисторы, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом через второй резистор подключен к затворам полевых транзисторов с р-n-переходом как n-, так и р-каналами, а также ко второму выводу первого резистора; исток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом через третий резистор соединен с общей шиной устройства.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена функциональная схема стабилизатора напряжения питания электронных схем.

На фиг.2 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре -40 °С и напряжении источника 1: 7,7 В (фиг.2.а); 9 В (фиг.2.б); 12 В (фиг.2.в).

На фиг.3 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре 25 °С и напряжении источника 1: 7,7 В (фиг.3.а); 9 В (фиг.3.б); 12 В (фиг.3.в).

На фиг.4 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре 50 °С и напряжении источника 1: 7,7 В (фиг.4.а); 9 В (фиг.4.б); 12 В (фиг.4.в).

Осуществление изобретения

Стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий: нестабильный источник 1 напряжения; полевой транзистор 2 с р-n-переходом и n-каналом; полевой транзистор 3 с р-n-переходом и р-каналом; полевой транзистор 4 с индуцированным n-каналом; резисторы 5, 6 и 7; нагрузку 8, причем сток полевого транзистора 2 с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника 1 напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора 2 с р-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора 4 с индуцированным n-каналом и через резистор 5 к затворам полевых транзисторов 2, 3 с р-n-переходом и n- и р-каналами, первому выводу резистора 6, второй вывод которого соединен со стоком полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом; исток полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом через резистор 7 соединен с общей шиной устройства.

Стабилизатор напряжения питания электронных схем работает следующим образом.

Полевой транзистор 2 с р-n-переходом и n-каналом и резистор 5 представляют собой стабилизатор тока, нагрузкой которого служат полевой транзистор 3 с р-n-переходом и р-каналом, и резисторы 6, 7.

Фактически полевой транзистор 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторы 6, 7 выполняют роль регулируемого сопротивления.

С учетом стабилизации тока напряжение, снимаемое с последовательно соединенных резистора 5 и регулируемого сопротивления, поступающее на затвор полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом, оказывает стабилизирующее воздействие. За счет отрицательной обратной связи при постоянном напряжении на затворе транзистора 4 с индуцированным n-каналом величина изменения напряжения в нагрузке 8 оказывается существенно меньше величины прироста напряжения источника 1 и, таким образом, осуществляется стабилизация уровня выходного напряжения.

Максимальная величина выходного напряжения стабилизатора при минимальном напряжении источника 1 может быть только такой, чтобы их разность поддерживала полевые транзисторы 2, 3 и 4 в активном режиме.

Исходя из требуемой величины выходного напряжения стабилизатора и тока нагрузки 8, по коэффициенту усиления полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом определяется необходимое напряжение на затворе. Величины сопротивления резистора 5 и регулируемого сопротивления на базе полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторов 6, 7 выбираются таким образом, чтобы ток через них (напряжение падения на них) обеспечивал поддержание полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом в активном режиме.

При минимально возможном напряжении источника 1 подбирается величина резистора 5 таким образом, чтобы при увеличении напряжения источника 1 изменение уровня напряжения на истоке полевого транзистора 4 с р-n-переходом и n-каналом и, соответственно, на затворе полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом не превышало плюс 5% от первоначальной величины. При этом величина напряжения между истоком и затвором полевого транзистора 2 с р-n-переходом и n-каналом, является напряжением отсечки, которое определяется током делителя образованного сопротивлением канала полевого транзистора 2 и резистора 5. Как правило, эта величина напряжения оказывается недостаточной для поддержания полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом в активном режиме, поэтому для установки необходимого напряжения в нагрузке 8 и используется дополнительное сопротивление. В данном случае регулируемое сопротивление на базе полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторов 6, 7.

Ток стока полевых транзисторов 2, 3, 4, используемых в схеме стабилизатора, характеризуется температурной зависимостью. Причем если в случае полевых транзисторов 2 и 3 в силу незначительной величины протекающего тока и стабилизирующего эффекта температурные изменения тока стока крайне малы, то в случае полевого транзистора 4, ток стока которого имеет существенную величину, температурный режим оказывает более значительное влияние (фиг.2, 3, 4 (а), фиг.2, 3, 4 (б), фиг.2, 3, 4 (в)). При этом степень «значительности» может быть существенно снижена при обеспечении работы полевого транзистора 4 в режиме нахождения рабочей точки в окрестностях точки с нулевым температурным коэффициентом смещения (термостабильной точки) (П.Хоровиц, У.Хилл. «Искусство схемотехники», М.: БИНОМ, 2014 г., с.130, рис.3.13). Однако при этом следует учесть, что «термостабильный режим» жестко связан с напряжением источника 1, током стока и напряжением на затворе транзистора 4, сопротивлением нагрузки 8, а значит, в условиях применения нестабильного источника 1 напряжения полная реализация «термостабильного режима» достаточно проблематична.

Как показали результаты моделирования предлагаемого стабилизатора напряжения в сравнении с прототипом (таблица), использование в составе схемы устройства регулируемого сопротивления на базе полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторов 6, 7, в отличие от резистора постоянного сопротивления, как в прототипе, обеспечивает существенный выигрыш, в частности:

- по «Коэффициенту полезного действия по мощности» в среднем на 6,3%.

- по «Коэффициенту стабилизации по напряжению» в среднем на 9,3%;

- по «Коэффициенту стабилизации тока по входному напряжению» в среднем на 1,8%,

при практически неизменном температурном коэффициенте напряжения.

Что позволяет сделать вывод, что в целом предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями в сравнении с прототипом.

Таблица 1 - Результаты моделирования предлагаемого стабилизатора напряжения в сравнении с прототипом

Температура, °С Напряжение источника, В Ток
источника,
мА Напряжение
на нагрузке,
В Ток
в нагрузке,
мА КПД
по мощности,
% Коэффициент стабилизации по напряжению Коэффициент стабилизации тока по входному напряжению ТКН,
% Разр. Прот. Разр. Прот. Разр. Прот. Разр. Прот. Разр. Прот. Разр. Прот. Разр. Прот. -40 7,7 63,30 57,929 6,896 6,305 62,687 57,316 88,691 81,015 332,2 303,7 292,2 285,6 -0,0137 -0,0138 9 63,331 57,958 6,899 6,308 62,718 57,345 75,914 69,348 ----- ----- ----- ----- -0,0137 -0,0138 12 63,403 58,025 6,906 6,315 62,789 57,411 56,993 52,068 328,5 300,4 294,5 289,6 -0,0133 -0,0133 25 7,7 62,741 57,422 6,835 6,249 62,128 56,808 87,899 80,288 329,2 301,0 256,5 248,8 ----- ----- 9 62,776 57,454 6,838 6,252 62,163 56,841 75,236 68,725 ----- ----- ----- ----- ----- ----- 12 62,856 57,528 6,847 6,261 62,242 56,914 56,501 51,618 253,3 231,6 262,3 259,6 ----- ----- 50 7,7 62,550 57,249 6,813 6,230 61,937 56,636 87,613 80,043 246,2 225,1 248,7 248,1 -0,0129 -0,0122 9 62,586 57,283 6,817 6,234 61,973 56,669 75,003 68,524 ----- ----- ----- ----- -0,0123 -0,0115 12 62,668 57,360 6,825 6,242 62,055 56,746 56,319 51,460 284,0 259,8 251,9 245,3 -0,0129 -0,0121

* Разр. - разработанный стабилизатор напряжения

** Прот. - прототип

*** В схеме предлагаемого стабилизатора напряжения, как и в прототипе, применены: полевой транзистор (2) с р-n переходом и n-каналом типа BFR30; полевой транзистор (4) с индуцированным n-каналом типа 2SK133; резистор (5) сопротивлением 3 кОм; нагрузка (8) сопротивлением 110 Ом. А также: полевой транзистор (3) с р-n переходом и р-каналом типа 2N3332; резистор (6) сопротивлением 1 кОм; резистор (7) сопротивлением 6,5 кОм.

**** Расчет параметров проводился с опорой на напряжение 9 В и температуру 25°С.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения питания при создании микромощных электронных схем с автономным электропитанием. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержит нестабильный источник напряжения; полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом; полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом; полевой транзистор с индуцированным n-каналом; три резистора; нагрузку. 4 ил., 1табл.

Стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий нестабильный источник напряжения, полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом, резистор, полевой транзистор с индуцированным n-каналом, нагрузку, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора с индуцированным n-каналом и первому выводу резистора, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом, исток полевого транзистора с индуцированным n-каналом через нагрузку подключен к общей шине устройства, отличающийся тем, что в устройство введены полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом, второй и третий резисторы, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом через второй резистор подключен к затворам полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом, и полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом, а также ко второму выводу первого резистора, исток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом через третий резистор соединен с общей шиной устройства.