Стабилизированный источник питания Советский патент 1983 года по МПК G05F1/58 

Изобретение относится К электротехнике и может быть использовано для питания стабилизированным, фиксированным или регулируемым направле нием или током различных устройств и элементов электронной и электрофизической, например рентгеновской аппаратуры, в частности аппаратуры авто1матики и вычислительной техники повышенного быстродействия7 катодов ионных пушек -электронных рентгенов-, ских спектрометров, в кото-рых стабилизация тока эмиссии осуществляется посредством регулирования стабилизированного тока катода. Известны стабилизированные источники питания, выполненные по схеме компенсационного стабилизатора напря жения последовательного типа с блоком защиты от перегрузок по току и короткого замыкания ij и , или стабилизатора тока, силовая цепь которого включает последовательное соединение цепи коллектор - эмиттер проходного транзистора и нагрузки, подсоединенной к Эмиттеру З. Блок защиты от перегрузок по току и короткого замыкания в известных стабилизированных источниках питания f 1 и 2 содержит датчик тока, включенный между выходом выпрямителя и коллектором проходного транзистора усилительный (униполярный или бипо.лярный) и исполнительный транзисторы цепь индикации перегрузки. Известно также шунтирование в известных стабилизированных источниках питания опорных стабилитронов конде сатором 4. Такие схемы, если их применить, например, для питания ионной пушки ;рентгеновского спектрометра, обнару живают следующий недостаток. При ста билизации тока эмиссии ионной пушки осуществляемой посредством регулиро вания тока катода, величина которог определяется -разностью постоянного опорного напряжения и напряжения, пропорционального току эмиссии, в н стационарном режиме ионной пушки, например, при разогреве катода после включения питания, ток через катод достигает величины, значительно превышающей максимальную стационарного режима. Это снижает надежность и сокращает срок службы дорогостоящих ионных пушек. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является стабилизированный источник питания, содержащий датчик тока, включенный в силовую шину последовательно с пр ходным транзистором регулирующего элемента, управляющей цепью подсоединенного к выходу измерительно-уси лительного узла, состоящего из усилителя обратной связи (УОС) и источ ника опорного напряжения, включающе о токостабилизирующий двухполюсник, также соединенные параллельно порный стабилитрон и прецизионный езистивный делитель напряжения, вырямитель, выход которого подсоединен, первому выводу датчика тока, к торому выводу которого подключен i коллектор проходного транзистора регулирующего элемента и фильтрующий конденсатор и блок защиты от перегру-. зок по току и короткого замыкания, состоящий из униполярного усилительного и биполярного исполнительного транзисторов, параллельно цепи стокисток первого из которых включен стабилитрон, эмиттер второго подключен к потенциальной выходной шине источника питания, а его коллектор - к ВЫ.ХОДУ УОС, параллельно соединенных резистора и конденсатора, включенных между стоком униполярного усилительного транзистора и потенциальной выходной шиной, двух одновременно переключаемых транзисторов, эмиттеры которых объединены и соединены с токостабилизирующим двухполюсником источника опорного напряжения, база первого из них соединена со стоком униполярного транзистора, а база второго - с управляющей цепью регулирующего элемента, коллектор первого транзистора соединен при этом с опорным стабилитроном, а коллектор второго -, с общей шиной через последовательно включенный светодиод и резистор и с потенциальной выходной шиной через последовательную цепочку из двух резисторов, один из которых зашунтирован база-эмиттерным переходом биполярного исполнительного транзистора, параллельной RC-цепочки, первый вывод которой подключен к затвору униполярного усилительного транзистора, а второй - к его истоку и к первому выводу датчика тока, последовательной диодно-резистивной цепочки, включенной между вторым выводом датчика тока и первым выводом параллельной RC-цепочки 5. Если ток нагрузки источника питания по какой-либо причине превысил некоторое допустимое значение , то не.личина падения напряжения на датчике тока возрастает настолько, что униполярный усилительный транзистор блока защиты отпирается, а ток его стока увеличивается настолько, что изменяется полярность напряжения между базами соединённых эмиттерами . транзисторов и обеспечивается их одновременное переключение. При этом первый транзистор .запирается, отключая опорное напряжение-, обеспечивая отсечку выходного тока и сброс выходного напряжения, а второй транзистор отпирается, обеспечивая отпирание исполнительного транзистора блока з щиты, индукцию перегрузки и выключение транзисторов регулирующего элемента. После отсечки выходного тока и сброса выходного напряжения источника питания падение напряжения на датчике тока уменьшается. По мере разряда конденсатора параллельной Цепочки через высокооМное сопротивление напряжение между затвором и истоком униполярного усилительного., транзистора уменьшается и становится меньше порогового значения, последНИИ запирается, два транзистора, соединенные друг с другом эмиттерами, переключаются, выключая исполнительный транзистор блока защиты и подклю чая опорное напряжение к. неинвертирующему входу УОС, т.е. восстанавливается исходное состояние стабилизатора. При этом, если причина перегрузки по току или короткое замыкание нагрузки не устранены, скачкообразно устанавливается выходной ток превышающий (в случае короткого замыкания значительно) номинальный ток нагрузки стабилизированного источника питания при его работе в режиме стабилизатора напряжения. Скачкообразно возросшее напряжение на датчике тока снова отсекает выходной ток и далее, пока не устранится перегрузка, причем чем сильнее перегру ка, тем на меньшее время восстанавливается рабочее состояние источника питания. Указанный недостаток сужает функциональные возможности стабилизированного источника питания, так как ухудшается защита питаемой нагрузки от выбросов тока при перегрузке. Однако в некоторых случаях, например при упомянутом питании катодов ионных пушек электронных спектрометров стабилизированным регулируемым током, нагрузка источника питания,, в частности катоды ионных пушек критична к перегрузкам по. току, которые принципиально имеют место в течение времени разогрева катода. При этом снижается срок службы ионных пушек и надежность спектрометров Если стабилизированный источник питания работает в режиме стабилизатора тока с силовой цепью, построевной, например, как в устройстве 3J, то опорное напряжение прикладывается относительно потенциальной выходной шины. При этом соединение в блоке загадты прототипа стока усилительного транзистора через резистор с потенциальной выходной шиной, а непосредственно - с базой первого из соедй- ненных эмиттерами транзисторов, вара второго из которых соединена с управляющей цепью регулирующего эле мента, может обуславливать в стационарном режиме одновременное включение обоих транзисторов, особенно, если их эмиттеры через токостаОилязирующий двухполюсник соединены, например, с высокопотенциальной шиной вспомогательного источника питания УОС. При этом наблюдается ложное зажигание индикатора перегрузки. Избежать этого можно, уменьшая сопротивление резистора, включенного между стоком усилительного транзистора и потенциальной шиной. При этом снижается чувствительность ьых блока защиты, определяемая как Wx Bwxtiep.nnV-iewKvnox ;) где feWYi пер. mivi .-минимальное значение выходного тока, при котором происходит срабатывание блока защиты - максимальное значение выходного тока стабилизированного источника питания. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей стабили- зированного источника питания путем улучшения защиты питаемой нагрузки от выбросов тока при действии токовой перегрузки, а также повышение чувст- вительности блока защиты. Указанная цель достигается .тем, что в стабилизированный источник пи-г тания введен униполярный транзистор, цепь сток -;. исток которого подключена параллельно опорному стабилитрону, а затвор соединен с коллектором второго из двух соединенныхэмиттерами транзисторов, база которого соединена с коллектором исполнительного транзистора непосредственно, а через цепь коллектор - эмиттер последнего - с общей шиной стабилизированного источника питания. На фиг. 1 приведена схема стабилизированного источника напряжения; на фиг. 2 - система автоматического регулирования тока эмиссии ионной пушки с использованием стабилизированного источника тока. Предлагаемое устройство содержит выпрямитель 1, датчик тока 2, фильтрующий конденсатор 3, регулирующий элемент 4 с проходным транзисторе 5, включенным последовательно с нагрузкой, измерительно-усилительный узел б, состоящий из УОС 7, выход которого соединен с управляющей цепью регулирующего элемента и источника опорного напряжения 8, включающего высокоомный токостабилизирующий двухполюсник 9, опорный стабилитрон 10, соединенный анодом с общей шиной, и подключенные параллельно ему кон-, денсатор 11 и прецизионный резистивный делитель напряжения 12, а также блок защиты 13. В состав блока 13 входят униполярный усилительный транзистор 14 параллельно цепи сток исток которого подключен стабилитрон 15, а между стоком и общей шиной .включены последовательно резонаторы 16 и 17, параллельно второму из которых подсоединены конденсатор 18 и переход база - эмиттер исполнитель його транзистора 19, дв.а соединённых эмиттерами транзистора 20 и 21, тип проводимости которых противоположен типу проводимости проходного транзистора 5 регулирующего элемента 4, причем соединенные вместе эмиттеры этих транзисторов 20 и 21 подключены к токостабилизирующему двухполюснику 9 источника опорного напряжения 8, база транзистора 20 подсоединена к потенциальной выходной шине через резистор Rorp, i- база транзистора 21 - к общей шине через цепь коллектор - эмиттер исполнительного транзистора 19, коллектор транзи тора 20 - к общей шине точке соединенных параллельно опорного стабилитрона 10, прецизионного делителя 12 и конденсатора 11, а колллектор транзистора 21 - к общей шине через последовательно соединенные светоди од 22 и резистор 23 и к затвору униполярного транзистора 24, цепь сток.- исток которого включена параллельно опорному стабилитрону 10, Во входную цепь униполярного усилительного транзистора 14 включена па раллельная RC -цепочка из резистора 25 и конденсатора 26, первый вывод которой подсоединен к его затвору и через соединенные последовательно резистор 27 и диод 28 - к второму в воду датчика тока 2, а второй - к истоку и к первому выводу датчика тока 2. Опорный стабилитрон 10 (фиг. 2) соединен анодом с потенциальной шиной, а параллельно ему подключены, , кроме конденсатора 11, соединенные последовательно резисторы 29-31. Коллектор транзистора 20 подсоедине к общей точке конденсатора 11 и резистора 29. К выходу стабилизирован ного источника тока 32 подключен катод 33, например, ионной пушки 34, анод 35 которой соединен с положи-, тельным полюсом источника анодного напряжения UQ, отрицательный полюскоторого соединен с выводом катода через резистор 31. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Так как датчик тока 2 соединен своим высокопотенциальным выводом с выводом выпрямителя 1, а низкопотенциальным - с фильтрующим конденсатором 3, то через протекает пульсирующий ток. За исходное принято состояние за являемого устройства, реализованного в виде источника напряжения, соответствующее величине выходного то ка, не превышающей некоторого допус тимого значения. При этом величина падения напряжения на датчике 2 такова, что при выбранных сопротивлениях резисторов 25 и 27 падение напряжения на первом из них не превышает пороговогб напряжения униполярт ного усилительного транзистора 14,, и последний заперт, следовательно, заперт и исполнительный транзистор 19. Транзисторы 20 и 21 совместно с токостабилизирующим двухполюсником 9 источника опорного напряжения 8 образуют переключатель тока. Полярность напряжения между базами транзисторов 20 и 21 благодаря запертому исполнительному транзистору 19 такова, что транзистор 20 открыт, и ток, определяемый токостабилизирующим двухполюсником 9, проходит через опорный стабилитрон 10 и резисторы делителя 12, обеспечивая требуемую величину опорного напряжения на неинвертирующем входе УОС 7. Транзистор 21 заперт, поэтому заперт также и индикаторный светодиод 22. Таким образом, источник питания обеспечивает на нагрузке стабилизированное напряжение. За исходное состояние устройства, реализованного в виде стабилизированного источника тока 32, например источника тока накала ионной пушки 34, автоматически регулируемая величина которого стабилизирует ток эмиссии, принято состояние, соответствующее величине тока, допустимой для питаемой нагрузки, например, катОда 33. При этом под действием напряжений стабилитрона 10 и падения напряжения на резисторе 31, являющемся датчиком тока эмиссии, по резисторам 29 и 30, образующим делитель напряжения, протекает ток, равный L л - . Ujo ,-. . .° Ч.-R -, где - напряжение опорного стабилитрона 10; .- ток эмиссии ионной пушки 34; - сопротивление резистора 31; . сопротивление резисторов 29 и 30 соответстг венно. Величина резисторов 29 и 30 подбирается таким образом, что мост из элементов 10, 29, 30 и 31 сбалансирован, а напряжение-между потенциальной выходной шиной источника тока 32 и точкой соединения резисторов 29 к 30 с инвертирующим входом УОС 7 близко к нулю. При этом максимальная величина сопротивления переменного резистора 30 определяется соотношением -гоуиах Д аадуиа. максимальное значение диапазона изменения то ка эмиссии ионной пушки 34. Изменением сопротивления резистора 30 осуществляется плавное регулирование величины тока накала катода 33 и тем самым управление величиной тока эмиссии пушки 34, протекataatero под действием напряжения Цц, приложенного между катодом 33 и анодом 35 При изменении по каким-либо причинам установленной величины тока эмиссии изменяется падение напряжения на резисторе 31. Возникающий при этом разбаланс моста 10,- 29, 30 и 31 через УОС 7 вызывает изменение величииы стабилизированного выходного тока накала, компенсирующее отклонение тока эмиссии от установленной величины. Состояние остальных элемен тов стабилизированного источника тока 32 в исходном его положении анало гично состоянию этих элементов в ста билизированном источнике напряжения (фиг. 1) ПРИ выходном токе, не превы шающем некоторого допустимого значения. Если выходной ток стабилизированного источника питания по какой-либо причине превышает некоторое допустимое значение, то величина падения на пряжения на датчике 2 возрастает настолько, что напряжение на резисторе 25 превьшает пороговое значение напряжения для транзистора 14. Последний отпирается, и падение напряжения, создаваемое током его стока на резисторе 17, вызывает отпирание вплоть до насьоцения исполнительного транзистора 19. Величина тока стока транзистора 14, достаточная для отпирания транзистора 19, определяется из условия ОП4-0,8Е , I-. - Т где 51 сопротивление резистора 17; выходной .ток стабилизирующего двухполюсника 9; 0,7-0,86 - напряжение на переходе база - эмиттер открытого транзистора 1 коэффициенты передачи тока базы транзистора 19 и 21 соответственно в режиме большого сигнала. Благодаря включению параллельно резистору 17 конденсатора 18 исполт нительный транзистор 19 отйрыт в любой фазе переменной составляющей пул сирую1вего напряжения выпрямителя 1 до тех пор, пока открыт транзистор 1 т.е. пока выходной ток источника питания превышает допустимую величину. Отпирание транзистора 19 обеспечивает переключение транзисторов 20 и 21, причем транзистор 20 запирается, а транзистор 21 - отпирается, так как его база оказывается под потенциалом общей шины, существенно более отридательньв), чем потенциал транзистора 20. В результате переключения транзисторов 20 и 21 вследствие превышения выходным током источника питания некоторой допустимой величины выключается опорный стабилитрон 10, а выходной ток стокоста- . Йилизирующего двухполюсника 9 протекает через открытый транзистор 21 и элементы цепочки индикации 22 и 23, обеспечивая тем самым индикацию перегрузйи транзисторов 20 и 21, а выключением стабилитрона 10 происходит отпирание униполярного транзистора 24, разряд конденсатора 11 через малое сопротивление цепи сток - исток последнего, а вследствие этого - отсечка выходного трка источника пита- ния и сброс выходного напряжения. Для уменьшения динамического сопротивления цепи сток - исток транзистора 24 сопротивление резистора 23 выбирается таким, чтобы напряжение между коллектором открытого транзистора 21 и общей шиной было равно напряжению между коллектором открытого в исходном состоянии источника питания транзистора 20 и общей шиной при мак-, симально допустимой величине выходного тока. После отсечки выходного тока и сброса напряжения на выходе источника питания падение напряжения на датчике 2 уменьшаете, запирается диод 28 и напряжение между затвором И истоком униполярного транзистора 14 вследствие разряда конденсатора 26 через резистор 25 уменьшается, транзистор 14 запирается, выключая исполнительный транзистор 19 и обеспечивая тем самым переключение -в исходное состояние транзисторов 20 и 21. При этом выключаются светодиод 22 и униполярный транзистор 24, и током 3л заряжается до напряжения стабилитронг1 10 конденсатор 11, обеспечивая с постоянной времени цепи заряда отпирание транзисторов регулирующего элемента 4, т.е. восстановление исходного состояния источника питания, и увеличение его выходного тока, а следовательно и увеличение падения напряжения на датчике тока 2. Следует отметить, что сразу после включения транзистора 20 напряжение между затвором и истоком транзистора 24 близко к нулю и последний открыт. При этом ток заряда конденсатора 11 равен -г -M4-i9--lci4 (5) ток стока транзистора 24. . . .

Запирание транзистора 24 происхо ит тогда, когда либо по мере нарастания падения, напряжения, создаваеого на нагрузке выходньам током стабилизированного источника тока 32, . либо по мере роста напряжения на конденсаторе 11, отрицательное напряжение между затвором и истоком () достигает порогового значения для конкретного типа транзистора 24,

Таким образом, включение цепи Ю сток - исток униполярного транзистора 24 параллельно стабилитрону 10 и конденсатору 11 при подключении его затвора к коллектору транзистора 21, уменьшая ток заряда конденсатора 11 1.5 предотвращает нежелательный для питаемой нагрузки бросок тока при наличии перегрузки, и повышает надежность ее работы, например срок службы катода 33 и ионной пушки 34. Кро- 20 ме того, быстрое отпирание до насыщения канала транзистора .24 после одновременног.о выключения транзистора 20 и включения транзистора 21 при возйикновении перегрузки в процессе 25 эксплуатации аппаратуры, питаемой источником питания, обеспечивает быструю отсечку выходного тока, что также повышает надежность функционирования питаемой нагрузки, расширяя зо тем самым функциональные возможности устройства.

Если действие нагрузки по току не прекращается, то напряжение -на резисторе 25 возрастает настолько, что

35 блок защиты 13 снова обеспечивает отсечку выходного тока источника питания и так далее, пока не прекратится действие перегрузки по току. В частности, при питании катода 33 стабилизированным током источника 32 0 .Действие, перегрузки прекращается тогда, когда после прогрева катода 33 импульсами тока, обусловленными показанным функционированием источника питания при действии перегрузки,45 ток эмиссии, а следовательно, и падение напряжения на резисторе 31 достигнут такой величины, что становится возможной балансировка резистором 30 моста 10, 29, 30 и 31, 50

В устройстве при включении цепи коллектор - эмиттер исполнительного транзистора 19 между базой транзистора 21 и общей шиной чувствительность ДЭц(,у блока защиты 13 может быть определена из соотношения 07 т 0,0

(6

П

де крутизна сток-затворной характеристики униполярного усилительного транзистора 14; Rj, - сопротивление датчика то

ка 2.

По сравнению с прототипом ограниение сверху на величину сопротивения резистора 17 накладывается только необходимостью обеспечения надежной работы в запертом состоянии транзистора 19.

Стабилитрон 15 защищает униполярный транзистор 14 от кратковременных импульсных выбросов напряжения на выходе выпрямителя 1,. а конденсатор

18предотвращает при этомложное отирание исполнительного транзистора

19и отсечку выходного тока, если величина последнего не превышает некоторого допустимого значения.

Независимо от вида реализации стабилизированного источника питания, исключается одновременно включенное состояние транзисторов 20 и 21, а следовательно, и ложная индикация перегрузки, что расширяет функциональные возможности блока защиты 13.

Возможно базу транзистора 20 блока защиты 13 соединить с выходом УОС 7 измерительно-усилительного узла б, а также выполнить схему без резистора, включенного параллельно база-эмиттерному переходу транзистора 21.

Эффективность изобретения обусловлема повышением надежности функционирования и срока службы Питаемой аппаратуры в условиях перегрузок, возникающих в процессе ее эксплуатации, например при прогреве катода и отсутствии в течение этого времени эмиссии ионной пушки.

1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТбЧ- НИК ПИТАНИЯ, содержащий датчик тока, включенный в силовую шину последовательно с проходным транзистором регулирующего элемента, управляющей цепью подсоединенного к выходу измерительноусилительного узла, состоящего из усилителя обратной связи и источника опорного напряжения, включающего в себя высокоомный токостабилизирующий двухполюсник, а также соединенные параллельно конденсатор, опорный стабилитрой, подключенный.анодом непосредственно или резистор к одной из выходных шин, и прецизионный резистивный делитель напряжения, выпрямитель, выход которого подсоединен к первому выводу датчика тока, ко второму выводу которого подключены коллектор проходного транзистора регулирующего элемента и фильтрукиций конденсатор, блок защиты от перегрузок по току и короткого замыкания, состоящий из униполярного усилительного и биполярного исполнительного транзисторов, в цепь стока первого из которых включена последовательная цепочка из двух резисторов, один из которых, соединенный с общей шиной, зашунтирован конденсатором и базаэмиттерным переходом исполнительного транзистора, стабилитрона, включеннот го параллельно цепи сток-исток униполярного усилительного транзистора, двух транзисторов, эмиттеры которых соединены вместе и подключены к токостабилизирунйдему двухполюснику )источника опорного напряжения, база пеЕ)вого - к потенциальной выходной шине, коллектор первого - к соответт . ствующим соединенным вместе выводам опорного стабилитрона, прецизионного делителя и конденсатора, а коллектор второго - к общей шине через последовательно соединенные светодиод- и резистор, параллельной RC-цепочки, первый вывод которой подключен к затвору униполярного усилительного транзистора и через соединенные последовательно резистор и диод к второму выводу датчика тока, .& второй вывод RC-цепочки - к истоку |и к первому выводу датчика ток а, о тл и ч а ю щ и и с я тем,что,с целью i расширения функциональных возможнос:Тей стабилизированного источника пита НИН путем улучшения, защиты питаемой нагрузки от выбросов тока, при действии токовой перегрузки, а также повышения чувствительности блока защиты, / в него введен униполярный транзистор, цепь сток - исток которого подкгаочена параллельно опорному стабилитрону, а затвор соединен с коллектором второго из двух соединенных эмиттерами транзисторов.| 2. Источник питания по п. 1, отличающийся тем, что база второго из соединенных эмиттерами транзисторов соединена с коллектором исполнительного транзистора непосредственно, а через его цепь коллектор(Эмиттер - с общей шиной.