Компенсационный стабилизатор напряжения Российский патент 2022 года по МПК G05F1/56 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения постоянного тока.

Уровень техники

Известен стабилизатор постоянного напряжения (патент RU № 2313819, МПК G05F 1/56), содержащий первый транзистор, первый резистор, второй транзистор, второй резистор, стабилитрон. База первого транзистора подключена через первый резистор к его коллектору, являющемуся входом устройства, и коллектору второго транзистора, эмиттер которого подключен через стабилитрон к общему проводу и через второй резистор к эмиттеру первого транзистора, база второго транзистора подключена к эмиттеру первого транзистора, являющегося выходом устройства.

Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:

- низким коэффициентом стабилизации по напряжению;

- низким температурным коэффициентом напряжения.

Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является компенсационный стабилизатор напряжения (патент RU № 2394266, МПК G05F 1/56).

Компенсационный стабилизатор напряжения содержит: три резистора; полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом; три биполярных транзистора n-p-n типа; стабилитрон, причем первый резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к истоку полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом; второй резистор подключен вторым выводом к общей шине, а первым выводом - к базе первого биполярного транзистора n-p-n типа и аноду стабилитрона; третий резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к затвору полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом и коллектору второго биполярного транзистора n-p-n типа; сток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом подключен к базе второго биполярного транзистора n-p-n типа и коллектору первого биполярного транзистора n-p-n типа; эмиттер первого биполярного транзистора n-p-n типа подключен к общей шине; эмиттер второго биполярного транзистора n-p-n типа подключен к базе третьего биполярного транзистора n-p-n типа, коллектор которого подключен к шине питания, а эмиттер - к катоду стабилитрона и к выходной клемме.

Выражение (1) определяет нестабильность выходного напряжения прототипа по току нагрузки (знак минус говорит о том, что с ростом тока нагрузки выходное напряжение уменьшается):

где - дифференциальные сопротивления эмиттера первого биполярного транзистора n-p-n типа и стабилитрона соответственно;

- сопротивление второго резистора;

и - коэффициенты передачи по току в схеме с общим эмиттером первого и третьего биполярных транзисторов n-p-n типа соответственно;

- коэффициент преобразования тока коллектора первого биполярного транзистора n-p-n типа в ток эмиттера второго биполярного транзистора n-p-n типа

где - сопротивление первого резистора;

- сопротивление третьего резистора;

- крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом;

- коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером второго биполярного транзистора n-p-n типа.

Условие (3) является условием настройки, при котором параметр обращается в бесконечность, а нестабильность (1) - в ноль.

Однако данное утверждение справедливо лишь в случае неизменности параметров входящих в выражения (1) и (3), а именно в случае неизменности температурного режима работы устройства.

На фиг. 1 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора при температуре 27°С, входном напряжении = 14 В и токе нагрузки [1; 110] мА.

На фиг. 2 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства (Т = 0, Т = 27, Т = 54, Т = 81), при входном напряжении и токе нагрузки [1; 110] мА.

Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:

- низкой нестабильностью выходного напряжения;

- низким температурным коэффициентом напряжения.

Раскрытие изобретения

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

Технический результат достигается тем, что в компенсационный стабилизатор напряжения, содержащий: три резистора; полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом; три биполярных транзистора n-p-n типа; стабилитрон, причем первый резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к истоку полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом; второй резистор подключен вторым выводом к общей шине, а первым выводом - к базе первого биполярного транзистора n-p-n типа и аноду стабилитрона; третий резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к затвору полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом и коллектору второго биполярного транзистора n-p-n типа; сток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом подключен к базе второго биполярного транзистора n-p-n типа и коллектору первого биполярного транзистора n-p-n типа; эмиттер второго биполярного транзистора n-p-n типа подключен к базе третьего биполярного транзистора n-p-n типа, коллектор которого подключен к шине питания, а эмиттер - к катоду стабилитрона и к выходной клемме, введен диод, анод которого подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора n-p-n типа, а катод - к общей шине.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлены результаты схемотехнического моделирования прототипа - зависимость выходного напряжения стабилизатора при температуре 27°С, входном напряжении = 14 В и токе нагрузки [1; 110] мА.

На фиг. 2 представлены результаты схемотехнического моделирования прототипа - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства (Т = 0, Т = 27, Т = 54, Т = 81), при входном напряжении и токе нагрузки [1; 110] мА.

На фиг. 3 представлена функциональная схема заявляемого устройства.

На фиг. 4 представлены результаты схемотехнического моделирования заявляемого устройства - зависимость выходного напряжения стабилизатора при температуре 27°С, входном напряжении = 14 В и токе нагрузки [1; 110] мА.

На фиг. 5 представлены результаты схемотехнического моделирования заявляемого устройства - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства (Т = 0, Т = 27, Т = 54, Т = 81), при входном напряжении и токе нагрузки [1; 110] мА.

Осуществление изобретения

Стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий: резисторы 1, 2, 3; полевой транзистор 4 с р-n-переходом и р-каналом; биполярные транзисторы 5, 6, 7 n-p-n типа; стабилитроны 8; диод 9, причем резистор 1 подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к истоку полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом; резистор 2 подключен вторым выводом к общей шине, а первым выводом - к базе биполярного транзистора 5 n-p-n типа и аноду стабилитрона 8; резистор 3 подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к затвору полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом и коллектору биполярного транзистора 6 n-p-n типа; сток полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом подключен к базе биполярного транзистора 6 n-p-n типа и коллектору биполярного транзистора 5 n-p-n типа; эмиттер биполярного транзистора 6 n-p-n типа подключен к базе биполярного транзистора 7 n-p-n типа, коллектор которого подключен к шине питания, а эмиттер - к катоду стабилитрона 8 и к выходной клемме; анод диода 9 подключен к эмиттеру биполярного транзистора 5 n-p-n типа, а катод - к общей шине.

Компенсационный стабилизатор напряжения работает следующим образом.

Выходное напряжение стабилизатора определяется суммой напряжений база-эмиттер биполярного транзистора 5 n-p-n типа, диода 9 и стабилитрона 8. Следовательно, приращение выходного напряжения dU_вых, возникающее при воздействии дестабилизирующих факторов, определяется выражением (4):

где dU_ст.8, dU_д.9 и dU_бэ.5 - приращения напряжений стабилитрона 8, диода 9 и база-эмиттер биполярного транзистора 5 n-p-n типа соответственно.

Приращения напряжений dU_ст.8, dU_д.9 и dU_бэ.5 можно выразить через соответствующие приращения токов стабилитрона 8, диода 9 и эмиттера биполярного транзистора 5 n-p-n типа

где и - соответственно, дифференциальное сопротивление и приращение тока стабилитрона 8;

и - соответственно, дифференциальное сопротивление и приращение тока диода 9;

и - соответственно, дифференциальное сопротивление и приращение тока эмиттера биполярного транзистора 5 n-p-n типа.

С учетом условия (6)

выражение (5) примет вид:

Ток стабилитрона 8 равен сумме тока резистора 2 и тока базы биполярного транзистора 5 n-p-n типа. Следовательно, приращение определится выражением:

где и- приращения тока резистора 2 и базы биполярного транзистора 5 n-p-n типа соответственно;

R ₂ - сопротивление резистора 2;

- коэффициент передачи по току биполярного транзистора 5 n-p-n типа в схеме с общим эмиттером.

Ток эмиттера биполярного транзистора 7 n-p-n типа равен сумме токов нагрузки и стабилизатора 8. Следовательно, справедливо выражение

где и - приращения тока эмиттера биполярного транзистора 7 n-p-n типа и тока нагрузки соответственно.

Приращение тока можно выразить через :

где - коэффициент передачи по току транзистора 7 в схеме с общим эмиттером;

- коэффициент преобразования тока коллектора биполярного транзистора 5 n-p-n типа в ток эмиттера биполярного транзистора 6 n-p-n типа

где и - приращения тока коллектора биполярного транзистора 5 n-p-n типа и тока эмиттера биполярного транзистора 6 n-p-n типа соответственно.

Для определения параметра K₆ учтем следующее:

где - приращение тока стока полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом;

- коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером биполярного транзистора 6 n-p-n типа.

где и - приращение напряжения на резисторах 1 и 3 соответственно;

- приращение напряжения затвор-исток полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом.

Уравнение (13) запишем через приращения токов

где - сопротивление резистора 1;

- сопротивление резистора 3;

- крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом.

Из выражений (12) и (14) можно выразить

Из выражений (8) ÷ (10) получим

Из выражений (7) и (8) получим

Полученное выражение (17) определяет нестабильность выходного напряжения заявляемого устройства по току нагрузки. Знак «минус» говорит о том, что с ростом тока нагрузки выходное напряжение уменьшается.

При соблюдении условия (18)

параметр обращается в бесконечность, а нестабильность (17) - в ноль.

Что, как и в случае прототипа, возможно лишь при неизменности температурного режима работы устройства.

Однако введение в схему устройства диода 9, характеризуемого отрицательным температурным коэффициентом напряжения при одновременном использовании стабилитрона 8 с лавинным типом пробоя, характеризуемого положительным температурным коэффициентом напряжения (см. П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники», М.: Мир, 1998 г., с. 351) при обратном включении, способствует как снижению нестабильности выходного напряжения по току нагрузки (фиг. 1, фиг. 4), так и в целом обеспечивает повышение температурного коэффициента напряжения (фиг. 2, фиг. 5).

Как показали результаты моделирования предлагаемого компенсационного стабилизатора напряжения в сравнении с прототипом (таблица), использование в составе схемы устройства диода 9 обеспечивает существенный выигрыш, в частности:

- по «Нестабильности выходного напряжения» в среднем в 2,225 раза;

- по «Температурному коэффициенту напряжения» в среднем в 6,694 раза.

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

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения постоянного тока. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. Компенсационный стабилизатор напряжения содержит: три резистора, полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом, три биполярных транзистора n-p-n типа, стабилитрон и диод. 5 ил., 1 табл.

Компенсационный стабилизатор напряжения, содержащий: три резистора; полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом; три биполярных транзистора n-p-n типа; стабилитрон, причем первый резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к истоку полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом; второй резистор подключен вторым выводом к общей шине, а первым выводом - к базе первого биполярного транзистора n-p-n типа и аноду стабилитрона; третий резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к затвору полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом и коллектору второго биполярного транзистора n-p-n типа; сток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом подключен к базе второго биполярного транзистора n-p-n типа и коллектору первого биполярного транзистора n-p-n типа; эмиттер второго биполярного транзистора n-p-n типа подключен к базе третьего биполярного транзистора n-p-n типа, коллектор которого подключен к шине питания, а эмиттер - к катоду стабилитрона и к выходной клемме, отличающийся тем, что в устройство введен диод, анод которого подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора n-p-n типа, а катод - к общей шине.