Электронный стабилизатор постоянного напряжения Российский патент 2023 года по МПК G05F1/569 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

Уровень техники

Известен электронный стабилизатор постоянного напряжения (патент RU №2542673, МПК: G05F 1/569) содержащий: балластный резистор; нагрузку; выравнивающий делитель напряжения, выполненный из двух последовательно соединенных резисторов; делитель обратной связи, состоящий из последовательно соединенных, по крайней мере, одного стабилитрона, и двух резисторов, которые образуют 2 плеча, причем по крайней мере, один стабилитрон и резистор образуют одно плечо делителя обратной связи, а другое плечо составляет второй резистор; регулирующий элемент, выполненный из двух последовательно соединенных биполярных транзисторов.

Недостатком данного устройства являются низкая надежность при ограниченных функциональных возможностях.

Низкая надежность обусловлена реализацией регулирующего элемента на базе биполярных транзисторов, приборов, управляемых током, собственное энергопотребление которых, а значит, и тепловой режим напрямую связан с величиной коммутируемого тока.

Ограниченные функциональные возможности обусловлены:

низкой температурной стабильностью выходного напряжения (узким диапазоном рабочих температур) в случае широкого диапазона выходных напряжений;

узким диапазоном выходных напряжений при высокой температурной стабильности (широком диапазоне рабочих температур).

Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является электронный стабилизатор постоянного напряжения (патент RU №162020, МПК: G05F 1/569).

Электронный стабилизатор постоянного напряжения содержит: балластный резистор; нагрузку; выравнивающий делитель напряжения, выполненный из двух последовательно соединенных резисторов, при этом его первым выводом служит первый вывод первого резистора, вторым выводом служит второй вывод второго резистора, третьим выводом служит соединение второго вывода первого резистора и первый вывод второго резистора; регулирующий элемент, выполненный из двух последовательно соединенных биполярных транзисторов n-p-n типа, при этом коллектор и база первого биполярного транзистора n-p-n типа служат, соответственно, первым и третьим выводами регулирующего элемента, эмиттер и база второго биполярного транзистора n-p-n типа служат, соответственно, вторым и четвертым выводами регулирующего элемента, а эмиттер первого биполярного транзистора n-p-n типа подключен к коллектору второго биполярного транзистора n-p-n типа; делитель обратной связи, состоящий из последовательно соединенных, по крайней мере, одной пары встречно включенных (катод к катоду) однотипных лавинных стабилитронов, и двух резисторов, которые образуют два плеча, причем первый резистор и по крайней мере, одна пара встречно включенных однотипных лавинных стабилитронов образуют первое плечо, а второй резистор образует второе плечо, при этом анод лавинного стабилитрона первой пары однотипных лавинных стабилитронов, служащий первым выводом первого плеча, является первым выводом делителя обратной связи, вторыми выводами второго плеча и делителя обратной связи является второй вывод второго резистора, первый вывод которого и соединенный с ним второй вывод первого резистора, служат, соответственно, первым и вторым выводами второго и первого плеч, являясь, при этом, третьим выводом делителя обратной связи, причем вход отрицательной полярности напряжения питания стабилизатора соединен со вторыми выводами выравнивающего делителя напряжения, регулирующего элемента, делителя обратной связи, нагрузки, первые выводы которых соединены со вторым выводом балластного резистора, первый вывод которого служит входом положительной полярности напряжения питания стабилизатора; третий вывод выравнивающего делителя напряжения соединен с третьим выводом регулирующего элемента, четвертый вывод которого соединен с третьим выводом делителя обратной связи.

Недостатком данного устройства является низкая надежность.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности.

Технический результат достигается тем, что в электронный стабилизатор постоянного напряжения содержащий: балластный резистор; нагрузку; регулирующий элемент; выравнивающий делитель напряжения, выполненный из двух последовательно соединенных резисторов, при этом его первым выводом служит первый вывод первого резистора, вторым выводом служит второй вывод второго резистора, третьим выводом служит соединение второго вывода первого резистора и первый вывод второго резистора; делитель обратной связи, состоящий из последовательно соединенных, по крайней мере, одной пары встречно включенных (катод к катоду) однотипных лавинных стабилитронов, и двух резисторов, которые образуют два плеча, причем первый резистор и по крайней мере, одна пара встречно включенных однотипных лавинных стабилитронов образуют первое плечо, а второй резистор образует второе плечо, при этом анод лавинного стабилитрона первой пары однотипных лавинных стабилитронов, служащий первым выводом первого плеча, является первым выводом делителя обратной связи, вторыми выводами второго плеча и делителя обратной связи является второй вывод второго резистора, первый вывод которого и соединенный с ним второй вывод первого резистора, служат, соответственно, первым и вторым выводами второго и первого плеч, являясь, при этом, третьим выводом делителя обратной связи, причем вход отрицательной полярности напряжения питания стабилизатора соединен со вторыми выводами выравнивающего делителя напряжения, регулирующего элемента, делителя обратной связи, нагрузки, первые выводы которых соединены со вторым выводом балластного резистора, первый вывод которого служит входом положительной полярности напряжения питания стабилизатора; третий вывод выравнивающего делителя напряжения соединен с третьим выводом регулирующего элемента, четвертый вывод которого соединен с третьим выводом делителя обратной связи, введены: защитный резистор, два МДП транзистора со встроенным каналом n-типа, первый вывод защитного резистора служит первым выводом регулирующего элемента, третьим выводом которого служит затвор первого МДП транзистора со встроенным каналом n-типа, второй вывод защитного резистора соединен со стоком первого МДП транзистора со встроенным каналом n-типа, исток которого соединен со стоком второго МДП транзистора со встроенным каналом n-типа, исток и затвор которого служат, соответственно, вторым и четвертым выводами регулирующего элемента.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена функциональная схема электронного стабилизатора постоянного напряжения.

Осуществление изобретения

Электронный стабилизатор постоянного напряжения (фиг.) содержит: балластный резистор 1; выравнивающий делитель напряжения 2, выполненный из двух последовательно соединенных резисторов 3 и 4, при этом его первым выводом служит первый вывод резистора 3, вторым выводом служит второй вывод резистора 4, третьим выводом служит соединение второго вывода резистора 3 и первый вывод резистора 4; регулирующий элемент 5, выполненный с использованием защитного резистора 6 и двух МДП транзисторов со встроенным каналом n-типа 7 и 8, первый вывод защитного резистора 6 служит первым выводом регулирующего элемента 5, третьим выводом которого служит затвор МДП транзистора со встроенным каналом n-типа 7, второй вывод защитного резистора 6 соединен со стоком МДП транзистора со встроенным каналом n-типа 7, исток которого соединен со стоком МДП транзистора со встроенным каналом n-типа 8, исток и затвор которого служат, соответственно, вторым и четвертым выводами регулирующего элемента 5; делитель обратной связи 9, состоящий из последовательно соединенных, по крайней мере, одной пары встречно включенных (катод к катоду) однотипных лавинных стабилитронов 10 и 11 (10.1÷10.n, 11.1÷11.n), и двух резисторов 12, 13, которые образуют два плеча, причем резистор 12 и по крайней мере, одна пара встречно включенных однотипных лавинных стабилитронов 10, 11 образуют первое плечо, а резистор 12 образует второе плечо, при этом анод лавинного стабилитрона 10.1, первой пары однотипных лавинных стабилитронов 10.1, 11.1, служащий первым выводом первого плеча, является первым выводом делителя обратной связи 9, вторыми выводами второго плеча и делителя обратной связи 9 является второй вывод резистора 13, первый вывод которого и соединенный с ним второй вывод резистора 12, служат, соответственно, первым и вторым выводами второго и первого плеч, являясь, при этом, третьим выводом делителя обратной связи 9, нагрузку 14, причем вход отрицательной полярности напряжения питания стабилизатора соединен со вторыми выводами выравнивающего делителя напряжения 2, регулирующего элемента 5, делителя обратной связи 9, нагрузки 14, первые выводы которых соединены со вторым выводом балластного резистора 1, первый вывод которого служит входом положительной полярности напряжения питания стабилизатора; третий вывод выравнивающего делителя напряжения 2 соединен с третьим выводом регулирующего элемента 5, четвертый вывод которого соединен с третьим выводом делителя обратной связи 9.

Электронный стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом.

На входные клеммы (+Е, -Е) поступает нестабилизированное напряжение, которое через балластный резистор 1 поступает на нагрузку 14, к клеммам которой подключены параллельно три функциональных элемента:

выравнивающий делитель 2;

регулирующий элемент 5;

делитель обратной связи 9.

При среднем значении входного напряжения , обеспечивающего заданные параметры напряжения на нагрузке 14, МДП транзисторы со встроенным каналом n-типа 7 и 8 находятся в режиме обогащения канала в приоткрытом состоянии, обеспечивая заданную величину проходного тока регулирующего элемента 5, а значит, выполнение условия (1)

, (1)

где напряжение на нагрузке 14,

сопротивление балластного резистора 1,

токи выравнивающего делителя 2, регулирующего элемента 5, делителя обратной связи 9, нагрузки 14.

Данное состояние регулирующего элемента 5 обеспечивается напряжениями поступающими с третьих выводов (выходов) выравнивающего делителя 2 и делителя обратной связи 9 на затворы МДП транзисторов со встроенным каналом n-типа 7 и 8 регулирующего элемента 5.

Отклонение входного напряжения от среднего значения обеспечивающего заданные параметры напряжения на нагрузке 14, приводит к изменению выходных напряжений выравнивающего делителя 2 и делителя обратной связи 9.

В случае отклонения входного напряжения от среднего значения в сторону увеличения, выходные напряжения выравнивающего делителя 2 и делителя обратной связи 9 возрастают, МДП транзисторы со встроенным каналом n-типа 7, 8 приоткрываются, что в свою очередь вызывает увеличение проходного тока регулирующего элемента 5 и выполнение условие (1).

В случае отклонения входного напряжения от среднего значения в сторону уменьшения, выходные напряжения выравнивающего делителя 2 и делителя обратной связи 9 понижаются. МДП транзисторы со встроенным каналом n-типа 7, 8 призакрываются, что в свою очередь вызывает понижение проходного тока регулирующего элемента 5 и выполнение условие (1).

Используемая в устройстве, по крайней мере, одна пара встречно включенных однотипных лавинных стабилитронов 10 и 11 обеспечивает взаимную компенсацию температурных коэффициентов напряжения стабилизации стабилитронов 10 и 11 (10.1÷10.n; 11.1÷11.n) и способствует расширению диапазона как рабочих температур устройства, так и выходных напряжений.

В случае прототипа имеет место относительно низкий КПД. Это обусловлено реализацией схемы регулирующего элемента 5 на базе биполярных транзисторов. Так как биполярные транзисторы – это приборы, управляемые током, собственное энергопотребление которых, а значит, и тепловой режим, напрямую связан с величиной коммутируемого тока. А попытка снижения транзисторами собственного энергопотребления (повышения КПД устройства) за счет использования транзисторов с меньшим током базы (а значит, и меньшей допустимой мощностью рассеивания – неизбежно повысит требования к увеличению теплоотвода), повлечет снижение надежности устройства.

В то же время МДП транзисторы характеризуются рядом преимуществ относительно биполярных транзисторов  (Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1985, с.19):

- управление напряжением (высокое сопротивление со стороны затвора, ток затвора практически равен нулю);

- высокая скорость переключения;

- почти неограниченная нагрузочная способность по выходу (если не учитывать скорость переключения);

- очень малая вероятность теплового саморазогрева;

- очень малая вероятность вторичного пробоя;

- допустимость резкого изменения тока стока.

А значит, предлагаемое устройство, в схеме регулирующего элемента 5 которого использованы МДП транзисторы 7 и 8, при той же величине проходного тока регулирующего элемента 5, что и в случае прототипа, будет характеризоваться более высоким значением коэффициентов как КПД, так и, прежде всего, надежности.

Немаловажный вклад в повышение как надежности, так и КПД предлагаемого устройства вносит факт возможности использования:

- высокоомных резисторов как в составе выравнивающего делителя 2, так и делителя обратной связи 9;

- однотипных лавинных стабилитронов 10 и 11 (10.1÷10.n; 11.1÷11.n) с малым током пробоя,

так как токи управления МДП транзисторов 7 и 8 практически равны нулю.

Использование в схеме регулирующего элемента 5 защитного резистора 6 способствует повышению как надежности, так и высоковольтности предлагаемого электронного стабилизатора постоянного напряжения.

Кроме того, в случае прототипа имеет место значительное время установления выходного стабилизированного напряжения сопровождаемое скачком напряжения на нагрузке, а значит и снижение надежности нагрузки.

Это обусловлено тем, что вследствие последовательного соединения биполярных транзисторов время прямого смещения эмиттерных переходов существенно возрастает и чем больше ток базы (больше допустимая мощность рассеивания), тем больше.

В предлагаемом устройстве использованы МДП транзисторы со встроенным каналом n-типа 7 и 8, характеризуемые нормированным сопротивлением сток - исток при отсутствии напряжения на затворе. А значит и нормированной величиной проходного тока регулирующего элемента 5 в момент подачи входного напряжения. Что обеспечивает снижение как времени установления выходного стабилизированного напряжения, так и амплитуды скачка напряжения на нагрузке, а значит и повышение надежности нагрузки.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Техническим результатом является повышение надежности. Электронный стабилизатор постоянного напряжения содержит балластный резистор, нагрузку, регулирующий элемент, выравнивающий делитель напряжения, делитель обратной связи. Регулирующий элемент содержит защитный резистор и два МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа. Выравнивающий делитель напряжения содержит два резистора. Делитель обратной связи содержит два резистора и по крайней мере одну пару встречно включенных однотипных лавинных стабилитронов. 1 ил.

Электронный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий: балластный резистор; нагрузку; регулирующий элемент; выравнивающий делитель напряжения, выполненный из двух последовательно соединенных резисторов, при этом его первым выводом служит первый вывод первого резистора, вторым выводом служит второй вывод второго резистора, третьим выводом служит соединение второго вывода первого резистора и первый вывод второго резистора; делитель обратной связи, состоящий из последовательно соединенных по крайней мере одной пары встречно включенных катод к катоду однотипных лавинных стабилитронов и двух резисторов, которые образуют два плеча, причем первый резистор и по крайней мере одна пара встречно включенных однотипных лавинных стабилитронов образуют первое плечо, а второй резистор образует второе плечо, при этом анод лавинного стабилитрона первой пары однотипных лавинных стабилитронов, служащий первым выводом первого плеча, является первым выводом делителя обратной связи, вторыми выводами второго плеча и делителя обратной связи является второй вывод второго резистора, первый вывод которого и соединенный с ним второй вывод первого резистора служат, соответственно, первым и вторым выводами второго и первого плеч, являясь, при этом, третьим выводом делителя обратной связи, причем вход отрицательной полярности напряжения питания стабилизатора соединен со вторыми выводами выравнивающего делителя напряжения, регулирующего элемента, делителя обратной связи, нагрузки, первые выводы которых соединены со вторым выводом балластного резистора, первый вывод которого служит входом положительной полярности напряжения питания стабилизатора; третий вывод выравнивающего делителя напряжения соединен с третьим выводом регулирующего элемента, четвертый вывод которого соединен с третьим выводом делителя обратной связи, отличающийся тем, что в устройство введены: защитный резистор, два МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа, первый вывод защитного резистора служит первым выводом регулирующего элемента, третьим выводом которого служит затвор первого МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа, второй вывод защитного резистора соединен со стоком первого МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа, исток которого соединен со стоком второго МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа, исток и затвор которого служат, соответственно, вторым и четвертым выводами регулирующего элемента.