Полупроводниковый стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1983 года по МПК G05F1/58 

Изобретение относится к электрот нике, в частности к системам регули рования электрических вел1иин. Известен компенсационный стабили затор постоянного напряжения, содер жащий последовательно регулирующий элемент ( регулирующий транзистор, подключенный последовательно с нагрузкой к источнику питания, управляемЕлй через усилитель обратной связи сигналом рассогласования, полученным из сравнения выходного напряжения (напряжения на нагрузке с опорным til. Недостаток данного стабилизатора низкая надежность, обусловленная: .разрушением регулирующего транзисто ра при токовых перегрузках или коротком замыкании (КЗ на выходе ста билизатора. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является полупроводниковый стабилизатор постоянного напряжения, содержащий источник опорного напряжения, блок сравнения выходного .стабилизирующего напряжения с опорным, регулирующий транзистор, включенный последовательно в силовую шину, усилитель обратной связи, состоящий по меньшей мере,из двух последовательно соединительных каскадов усиления, выходной каскад которого выполнен на транзисторе, имеющем проводимость противоположную проводимости регулирующего транзистора, а предьщущий вы ходному каскад усиления выполнен на транзисторе, имеющем проводимость то го же типа, что и регулирующий транзистор 2. Однако известный стабилизатор име ет сильную зависимость порога ограни чения тока нагрузки от режима транзисторов выходного и предвыходного каскадов УОС, а также от температуры указанных транзисторов и регулирующего транзистора; - стабилизатор име ет низкий коэффициент стабилизации по току нагрузки, который у данного стабилизатора получается из-за изменения значения опорного напряжения. вызываемого шунтированием источника питания открьатым транзистором выходного каскада УОС при вхождении его в режим насыщения до срабатывания защиты; сложность, почти невозможность изменения диапазона токов нагрузки из-за отсутствия путей, эффективного изменения порогового тока срабатывания защиты. Цель изобретения - повышение стабильности выходного напряжения и устойчивости порогового тока срабатыва ния защиты. Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковый стабилизатор по стоянного напряжения, содержащий источник опорного напряжения, блок сравнения выходного стабилизируемого напряжения с опорным, регулирующий транзистор, включенный последовательно в силовую шину, усилитель обратной связи, состоящий по меньшей мере.,-из двух последовательно соединенных каскадов усиления, выходной к-аскад которого выполнен на транзисторе, имеющем проводимость, противоположную проводимости регулирующего транзистора, а предьщущий выходному каскад усиления выполнен на.транзистора, имеющем проводимость того же типа, что« и регулирующий транзистор, введен генератор тока, выводы которого подсоединены, к эмиттерам транзисторов выходного и предвыходного каскадов усиления обратной связи и зашунтиров:аны стабилитроном. Кроме того, с целью повышения надежности его в работе, в него введена пусковая цепь, состоящая из резистора и пусковой кнопки, размыкающие i контакты которой.подключены к выводам резистора, а резистор соединяет коллектор транзистора предвыходного каскада усилителя обратной связи с базой транзистора выходного каскада усилителя обратной связи. На фиг.1 представлена схема стабилизатора; на фиг.2 - то же, в другом варианте стабилизатора ( с теми же отличительными признаками, что и стабилизатор на фиг.) на фиг.3 - схема двух последних (выходного и предвыходного ) каскадов усилителя обратной связи УОС ста лизатора, по которой будет пояснена сущность изобретения { эта схема является общей для двух типов стабилизаторов, представленных на фиг.1 и 2 ); на фиг. 4 - характерис- тики схемы на фиг.3; характеристика стабилитрона, шунтирующего выход генератора тока и нагрузочная характе ристика транзистора выходного каскада при различных сопротивлениях нагрузки, а также выходная характеристика схемы gbix.f (вх ) при трех различных значениях резистора нагрузки; на фиг.5 - рабочие характеристики стабилизаторов схемы .которых изображены на фиг.1 и 2:зависимость выходного напряжения стабилизатора от величины входного сигнала при разомкнутой цепи обратной связи для различных значений резистора нагрузки, а также нагрузочная характеристика стабилизатора (3n). Стабилизатор напряжения (фиг.l содержит регулирующий (составной или одиночный ) транзистор 1, включенный по схеме .с общим эмиттером (ОЭ/ коллектор которого соединен с отрицательным выводом силового источника питания Ер, а эмиттер - с общей точкой дополнительного двуполйрного источника .2 с одним из выводов нагруз. ки И с общей точкой усилителя обратной связи, источник опорного напряже ния Ujjn выполненный на стабилитроне и балластном резисторе 3, усилитель Обратной связи (УОС/, выполненный н последовательно соединенных следую щих каскадах ; входной каскад на диф ференциальном усилителе постоянного тока ЛУПТ ) 4 типа интегрального УПТ К1Т401А СВ), предвыходной и выходно каскады на транзисторах S и б, противоположных друг другу типах провод мости, причем проводимость транзист ра 5 предвыходного каскада того же типа, что и проводимость регулирующего транзистора 1. Т)анзистор б включен по схеме с ОЭ, коллектор ег через резистор 7 соединен с базой регулирующего транзистора 1, а эмит тер с выходным выводом генератора тока на транзисторе 8 и выводом стабилитрона 9, шунтирующим выход генератора тока. Транзистор 5 включ по схеме с ОЭ, коллектор которого соединен, через резистор 10, зашунтированный размыкакадими контактами кнопки 11, с базой транзистора 6, а эмиттер соединен с положительным выводом дополнительного источника с сгмещения на стабилитроне 12, включенном в прямом .направлении. Питание УПТ 4 осуществляется от дополнительного двуполярного источника E.-tCg ® ® стабилизирующие цепи на стабилитронах и резисторо1Х 13 и 14 для отрицательной полярности напряжения питания от источника Ej и 15 и 16 - для положительной полярно ти напряжения питания от источника Устройство содержит цепь обратной связи и сравнения выходного напряже ния с опорным на резисторах 17 и 18 Резистор 17 соединен с источником опорного напряжения и резистором 18 соединенным с общей точкой резистора 19 нагрузки и положительным выводом силового и ;точника питания Е На вход УПТ 4 поступает напряжение рассогласования е / полученное из сравнения выходного напряжения УЛ с оцорным напряжением Ug. Выходное напряжение стабилизатора определяется выражением К Оп ри К гдеК,- коэффициент усиления усилит ля обратной связи,- . UH - выходное напряжение стабили затора; Upn напряжение опорного источника на стабилитроне 2, Генератор тока выполнен на транзисторе 8, стабилитроне 20, токозад щем резисторе 21 и балластном резис торе 22. Коллектор транзистора 8 (в ходной -ВЫВОД генератора тока ) подключен к стабилитрону 9 (шунтирующему выход генератора тока ) и к эмиттеру транзистора б выходного каскада УОС.. Дополнительный источник питания - EjCo средней точкой, которая подключена к эмиттеру регулирующего транзистора 1 и общей точке УОС, обеспечивает питание УОС, генератора тока на транзисторе 8, источника опорного напряжения на стабилитроне 2. Стабилизатор в режиме стабилизации, т.е. при допустимых токах нагрузки, работает также как обычный компенсационный стабилизатор с последовательным регулирующим элементом: при отклонении выходного напряжения стабилизатора U от номинального значения вырабатывается сигнал рассогласования figx путем сравнения выходного напряжения с опорным UQ,, который, усиленный ус.илителем обратной связи на УПТ и.транзисторах 5 и б поступает на вход регулирующего транзистора 1 и так изменяет режим его . (или открывает больше .или больше закрывает j, что выходное напряжение Стабилизатора приводится к номинальному значению. При увеличении нагрузки выходное напряжение стабилизатора в первый момент уменьшается и чтобы его привести к номинальному значению при отработке по цепи обратной связи, регулирующий транзистор 1 отк млвается, так как должен пропускать через себя больший ток нагрузки, соответственно открываются и транзисторы б и 5 ваходаюго и предвыходного каскадов УОС, При увеличении нагрузки и соответственно, выходного тока до порогового значения, определяемого выражением . 7„ Рт пор. ч гдеЭ - максимальное пороговое значение тока нагрузки, при I котором стабилизатор еще находится в режиме стабилизации;JP - значение тока, вырабатываемое генератором тока на . транзисторе 8, питающим выходной и предвЕлходной каскады УОС; р - ксээффициент усиления по току регулирующего транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером , транзистор 6 выходного каскада УОС входит в режим насыщения и не может уже усиливать сигнал рассогласования при дальнейшем увеличении нагрузки. Через транзистор б проходит максимальный ток, равный току транзистора 8, и поступает в базу регулирукяцего транзистора 1. Напряжениена коллекторе транзистора б близко- к значению напряжения на стабилитроне 8(отличается на величину напряжениянасыщения транзистора 6J. При дальнейшем увеличении нагрузк выходное напряжение стабилизатора уменьшается, напряжение сигнала рассогласования вц,поступающее на вход УОА, увеличивается и усиленное УОС должно поступить на вход (базу ) регу лирующего транзистора 1, чтобы откры его еще больше. Но этого не происходит, так как транзистор б выходного каскада УОС находится в режиме насыщения, а только еще больше откры вается транзистор 5 предвыходного каскада УОС. Транзистор 5, открываяс начинает шунтировать выход транзистора 8 и часть тока генератора тока до данного момента полностью проходя щего через транзистор 6, начинает проходить через транзистор 5. Ток.через транзистор 6 уменьшается, соответственно, уменьшается ток базы регулирующего транзистора 1, ко торый н;-1чинает закрываться, выходное напряжение стабилизатора еще больше уменьшается, напряжениесигнала рассогласования растет, усиливается усилителем, и транзистор 5 предвыход ного каскада УОС еще больше открывается, шунтируя выход стабилизатора тока. Ток через транзистор 5 растет, и соответственно, еще больше уменБшается ток через транзистор 6, регулирующий транзистор 1 еще больше закрывается, чтоприводит к еще большему уменьшению выходного напряжения и т.д. Происходит лавинообразный процесс ; регулирующий транзистор 1 запирается, выходное напряжение стабилизатора уменьша ется до величины .близкой к нулю, стабилизатор переходит в устойчивое состояние - автоматически,выключается. Эффект автомати еского выключения без побочных явлений (например закорачивания выхода дополнительного источника питания Е-, Сбудет существовать в стабилизаторе только в случае, если предвыходной и выходной каскады УОС выполнены на транзисторах противоположного типа проводимости, причем проводимость транзистора предвыходного каскада УОС такая же, как и регулирующего транзистора/ и питание этих транзисторов осуществляется от генератора тока. Эта част схемы стабилизатора представлена отдельно на фиг.З и на ней поясняется сущность изобретения. Выходная характеристика данной схемы -0х () зависимость выходного напряжения от входного при различных значениях нагрузки 19 выходного каскада показана на При увеличении входного напряжения от нуля до значения , при котором транзистор 6 выходного каакада входит в насыщение, выходное напряжение также увеличивается до значения I и или до - вых т-г при R При дальнейшем увеличении входного напряжения и AUr, транзистор 5 пpeдвыxoд oгo оЛ каскада усиления все больше открывается и сильнее шунтирует нагрузку выходного каскада усиления транзистор б которого находится в режиме насыщен.ия, выходное напряжение начинает уменьшаться. Наконец, входное напряжение Ug достигает такого значения, при котором транзистор 5 предвыходного усилителя входит в режим насЕЛщения и полностью закорачивает ( шунтирует ) на общую точку нагрузку вьрсодного транзистора 6, в результате чего выходного напряжение нагрузке становится близким к нулю. В итоге в данной схеме при постоянном увеличении входного напряжения Ugjj выходное напряжение сначала растет, достигает своего максимального значения и затем снова , снижается до нулевого значения. Выходная характеристика стабилизатора на фиг.1, имеющего в составе усилителя обратной связи указанную на фиг.З схему, при разомкнутой цепи обратной связи имеет такой же вид, как и выходная характеристика для схемы на фиг.З. Выходная характеристика стабилизатора при различных значениях сопротивления нагрузки и как функция напряжения УПТ 4 .( напряжения рассогласования )ец представлена на фиг.З слева. На этом же графике построена характеристика обратной связи, определяемая по выражению (.} Выходная характеристика пересекается с прямой обратной связи в трех точках А,Б W В. Точка пересечения А определяет значение выходного напряжения стабилизатора при данной нагрузке 19 и значение напряжения рассогласования Bgx на входе УПТ 4 при работе стабилизатора в режиме стабилизации/ точка пересечения В определяет сое тояние стабилизатора в режиме Выключено, при срабатывании самозащиты; точка пересечения Б (точка неустойчивого состояния стабилизатора) определяет значение критического напряжения рассогласования, де для данного значения нагрузки: при включении стабилизатора с подключенной нагрузкой, если напряжение рассогласования будет ниже значения ABgjj.To стабилизатор будет стремитБСя войти в режим стабилизации ( точка А на графике J, если же йапрясжение рассогласования будет больше 46 р , то стабилизатор будет стремиться войти в ре жим Выключено (точка В на графике ) т.е. сразу же сработала самозащита стабилизатора. сопротивления нагрузки 19 (график фиг;5) является критическим, .так-как остается только,одна точка устойчивого состояния стабилизаторву точка стабилизатор находится в режиме Выключено. Отсюда видно, что при увеличении нагрузки стабш изатора больше критического значения (уменьшения сопротивления нагрузки / 19 ниже значенияRf j срабатывает cstMO защита стабилизатора и он будет только в режиме Выключено. По семейству выходных характеристи стабилизатора U, f(egx) и характеристике обратной связи (U,; справа на фиг.5 построена нагрузочная характеристика стабилизатора Ток нагрузки НСР -НПОР соответст вующий сопротивлению нагрузки R является критическим, при достижении его значения срабатывает самозащита стабилизатора, и выходной ток стабилизатора, а также напряжение на выходе стабилизатора снижаются до значений близких к нулю Стабильность выходного напряжения стабилизатора, выполненного по схеме (фиг.1, высока, обычно одного и того же порядка, каким определяется значе ние стабильности выходного напряжения; обычных компенсационных стабили. заторов, так как она в основном опре деляется стабильностью напряжения опорного источника 2 и дрейфом входного- каскада УОС (дрейфом УПТ 4 J, Коэффициент стабилизации выходного напряжения по току нагрузки увеличен за счет увеличения допустимого значения коэффициента усилителя обратной связи, и соответственно, выходное сопротивление стабилизатора снижено. Выходное сопротивление стабили затора обратно пропорционально, коэф фициенту усиления УОС. Надежность стабилизатора также велика в силу присущего ему эффекта саг«юзащиты от перегрузки по току и КЗ на выходе. Значение порогового тока срабатывания самозащиты жестко определяется величиной тока генератора тока, .питающего выходной и предвыходной каскады УОС, что также повышает надежность работы стабилизатора. Значение порогового тока срабатываНИИ. самозащиты можно легко регулировать изменением тока генератора тока на транзисторе 8. При работе стабилизатора на нагру ку в зависимости от величины дестаёил-изйрующих факторов (напряжения си :лового источника питания тока на грузки мощность, рассеивается на регулирующем транзисторе, изменяется соответственно изменяется и температу pa регулирующего транзистора Кроме . того,необходимо учитывать изменение температуры окружающей среды, также приводящей к изменению-температуры регулирующего транзистора 1. Изменение температуры регулирующего транзистора приводит к изменению его характеристик коэффициента усиления по току fbf-- тока утечки , и т.д. , что,в свою очереди, приводит к изменению значения порогового тока срабатывания самозащиты, так как величина порогового тока срабатьзвания определяется произведением тока 3 генератора на коэффициент усиления р регулирующего транзистора 1 н f Ti-rТемпературную нестабильность порогового тока срабатывания можно снизить, если вместо токозадающего резистора 21 в генераторе тока включить терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления и установить его на радиатор регулирующего транзистора для обеспечения, отработки изменения порогового тока срабатывания от температуры. КПД стабилизатора повышается за счет того, что из силовой цепи стабилизатора исключаются датчик тока нагрузки и резистор обратной связи по току Нагрузки, что позволяет снизить величину минимального напряжения между нагрузкой и силовым источником питания и соответственно, увеличить КПД, так как КПД после- , довательного стабилизатора пропорционально отношению выходного напряжения стабилизатора к напряжению силового источника питания. Как видно из характеристик стабилизатора, приведенных на фиг.5, стабилизатор с самозащитой имеет два устойчивых состояния (поэтому он и является аналогом триггераJ. Первое устойчивое состояние - это режим стабилизации или регулирования выходного напряжения к номинальному его значению и, второе - режим Выключено, когда на выходе стабилизатора поддерживается напряжение близкое к нулю. При включении ста.билизатора равновероятно установление любого из двух указанных режимов, если нагрузка стабилизатора меньше критического значения. Следовательно, после включ-ения стабилизатора, его еще необходюло ввести в режим стабилизации выходного напряжения. Существует несколько способов ввода стабилизатора в режим стабилизации, из которых практически используются два: шунтирование резистором малого сопротивления регулирующего транзистора либо подключение через резистор к базе регулирующего транзистора напряжения силового-источника питания. При таких способах запуска дейст вие самозспдиты стабилизатора исключается, токи через подключенную нагрузку и через регулирующий транзис тор допускаются выше порогового ток срабатывания, поэтому, если причины перегрузки не обнаружены и она не ликвидирована, возможно введение в аварийное состояние либо регули рующего транзистора стабилизатора, либо подключенной нагрузки, либо того и другого одновременно. К тому же при запуске стабилизатора через регулирующий т;ранзистор проходя пусковые токи заряда параллельно включенных емкостей стабилизатора и Нагрузки до номинального напряжения на выходе стабилизатора. Эти пусковые токи превЕэваают пороговый ток срабатывания и способствуют обр зованию и развитию микродефектов в переходах регулирующего транзистора, что приводит к разрушению регулирующего транзистора и снижению надежности работы стабилизатора в целом. Отсюда возникает необходимость осуществить запуск таким образом, чтобы в силовой цепи стабилизатора никогда не могли возникнуть токи BJU ше. значения порогового тока. Для этого достаточно в момент пуска ста билизатора исключить в нем возможность возникновения положительной обратной СВЯЗИ; в стабилизаторе (фиг.1) исключить положительную обратную связь можно, если транзистор 5 предвыходного каскада УОС пос тавить в такой режим, чтобы он не шунтировал генератор тока. Для этог достаточно между коллектором транзистора 5 предвыходного каскада УОС и базой транзистора 6 выходного каскада УОС включить резистор 10, который в режиме стабилизации будет закорочен размыкающими контактами кнопки 11 пуска стабилизатора. Стабилизатор с самозащитой, схе ма которого представлена на фиг.1, не является eдинcтвeнным построенны с помощью введения представленного на фиг.З устройства: двухкаскадного усилителя на транзисторах противоположног о типа проводимости, пита мого от генератора тока,выход которого зашунтирован стабилитроном. На фиг.2 представлен другой вариант схемы стабилизатора, имеющего такие же характеристики, как и стабилизатор на фиг.1. Стабилиаатору схема которого прив дена на фиг.2,содержит регулирующий транзистор 1, подключенный последовательно с нагрузкой к выходу с лового источника питания. Коллектор регулирующего транзистора 1 соедине с нагрузкой а эмиттер - с положительным выводом силового источника пита-. : ния; усилитель обратной связи, содержащий следующие каскады усиления: входной каскад - дифференциальный УПТ 4 на транзисторах, предвыходной каскад на транзисторе 5 и выходной каскад на транзисторе б, генератор тока На транзисторе б с токозадающим , резистором 21, стабилитроном 20 и балластным резистором 22. Выход генератора тока ( коллектор транзистора 8 ) зашунтирован стабилитроном 9 и подключен к эмиттеру транзистора б выходного каскада УОС; источник опорного напряжения и,, выполненный на стабилитроне 2 и генераторе тока на транзисторе 23, стабилитроне 24 и резисторах 25 и 26. Питание усилителя обратной связи, генератс ра тока на транзисторе 8 источника опорного напряжения на стабилитроне 2 и генераторе тока на транзисторе 23 осуществляется напряжением силового источника питания. Работает стабилизатор по схеме на фиг.2 аналогично стабилизатору на фиг.1. Защита стабилизатора от перегрузок по току происходит в результате Насыщения транзистора б выходного каскада УОС и переход в режим автоматического выключения стабилизатора обеспечивается вхождением в режим насыщения транзистора 5 предвыходного каскада УОС, в результате чего выход генератора тока на транзисторе 8 шунтируется на потенциальную шину стабилизатора: положительный вывод силового источника питания Ёп,соединенный с эмиттером регулирующего транзистора 1. Стабилизаторы .имеют одинаковые характеристики и параметры, за исключением того, что в стабилизаторе на фиг.2 стабильность выходного напряжения по входному напряжению (напряжен нию источника питания) незначительно снижена из-за влияния изменения напряжения источника питания на входной каскад УОС; дифференцигшьный УПТ 4 на транзисторах. Стабилизатор на фиг.З не имеет дополнительного источника питания, что является достоинством при построении стабилизаторов в, стационарных соединениях источника питания и нагрузки. Стабилизатор на фиг.1 удобен для построения источников питания с регулируемым выходным напряжением стабилизации ( лабораторный или программируемый испытательный источник питания ). В стабилизаторах по схеме на фиг.1 можно регулировать значение выходного напряжения в широких пределах: схема управления, включающая УОС и ИОН, на значение выходного Нсшряжения ограничений не накладывает , пределы определяются допустимыми мощностью рассеяния и напряжением на регулирующем транзисторе.

В стабилизаторах по схеме на фиг.2 для конкретно выполненного стабилизатора выходное напряжение стабилизации постоянно, так как изменение напряжений источника питания допускается только в жестко ограниченных пределах: ограничения накладываются как регулирующим транзистором, так и элементами схемы управления стабилизатора: ИОН и УрС.

Стабилизатор по схемам на фиг.1 и 2 легко выполняются на различные напряжения стабилизации и токи нагрузки и могут быть стандартизова ны, разделены по характеристикам и параметрам. Кроме того, стабилизаторы по предлагаемым схемам могут быть изготовлены в интегральном ис0полнении.

l. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий источник опорного напряжения, блок сравнения выходного стабилизируемого напряжения с опорным, . регулирующий транзистор, включенный последовательно в силовую шину, усилитель обратной связи, состоящий по меньшей мере из двух последователь-. но соединенных каскадов усиления, выходной каскад которого выполнен на транзисторе, имекадем проводимость, противоположную проводимости регулирующего транзистора, а предыду.щий вькoднotvIy каскад усиления выполнен на транзисторе, имеющем проводимость того же типа, что и регулирующий транзистор, отличающийс я тем, что, с целью повышения стабильности выходного напряжений и устойчивости порогового тока срабатывания защиты, в него введен генератор тока, выводы которого подсоединены к эмиттерам транзисторов выходного и предвыходного каскадов усилителя о.братной связи и зашунтИрованы стабилитроном. 2, Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности его в работе, в него ведена пусковая .цепь, состоя(Л .щая из резистора и пусковой кнопки, раз№акающие контакты которой подклю чены к выводам резистора, а резистор соединяет коллектор транзистора предвыходного каскада усилителя обратной связи с базой транзистора выходного каскада усилителя обратной связи., со 4 о ьо .4

arcff

Id

r.

Ч

y

.h

У

M ff

J.

ffl