Стабилизатор тока Советский патент 1985 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в схемах вторичных источников питания, в частности в источниках питания газовых лазеров, в устройствах испытания полупроводниковых приборов.

В условиях высоких рабочих напряжений стабилизаторов возникает опасность вторичного пробоя регулирующего транзистора даже при относительно небольших токах и мощностях рассеивания. Надежность устройства значительно увеличивается при использовании в нем принципа перераспределения тока между регулирующим транзистором и включенным параллельно к нему резистором 1.

С увеличением напряжения стабилизатора ток через резистор увеличивается, а через транзистор уменьшается и при соответствующем выборе сопротивления резистора равен нулю при максимальном рабочем напряжении. Однако при включении параллельно к транзистору относительно низкоомного резистора уменьшается выходное сопротивление стабилизатора тока и качество стабилизации.

Известен стабилизатор тока на высоковольтном транзисторе, содержащий схему сравнения, один вход которой подключен к источнику опорного напряжения, регулирующий транзистор, коллектор которого и точка соединения измерительного резистора с источником опорного напряжения образуют выходные клеммы устройства, источник питания схемы сравнения 2.

Недостатком данного стабилизатора следует считать относительно низкую стабильность тока, так как ток через сопротивление утечки коллектора регулирующего транзистора не контролируется. Принцип пере.распределения тока не использован, поэтому надежность устройства невелика.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является стабилизатор тока, содержащий высоковольтный регулирующий транзистор, коллектор которого соединен с первой, а эмиттер через измерительный резистор - с второй клеммой стабилизатора, узел сравнения на вспомогательном транзисторе, источник опорного напряжения, включенный между базой вспомогательного транзистора и второй клеммой стабилизатора, источник питания узла сравнения на стабилитроне, соединенном с эмиттером регулирующего транзистора и через дополнительный резистор - с первой клеммой стабилизатора, причем эмиттер вспомогательного транзистора подключен к базе регулирующего транзистора, а коллектор к точке соединения стабилитрона и дополнительного резистора. В данном стабилитроне имеет место перераспределение тока между регулирующим транзистором и дополнительным резистором, а в качестве вспомогательного транзистора может быть применен низковольтный транзистор 3.

К недостаткам известного стабилизатора следует отнести относительно низкое 5 выходное сопротивление и качество стабилизации тока при использовании в стабилизаторе принципа перераспределения тока с соответствующим выбором сопротивления дополнительного резистора, а также узкую сферу применения, обусловленную использованием отдельного заземленного источника напряжения, причем нагрузка может быть включена только в цепь коллектора регулирующего транзистора и поэтому значительно усложняется последовательное

, включение стабилизаторов для расщирения диапазона измерения выходного напряжения.

Цель изобретения - повышение стабильности тока при расширении области использования стабилизатора.

0

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизатор тока, содержащий высоковольтный регулирующий транзистор, коллектор которого соединен с первой, а эмиттер через измерительный резистор - с второй клеммами стабилизатора, узел сравнения, источник опорного напряжения, включенный между одним входом узла сравнения и второй клеммой стабилизатора, источник питания узла сравнения на стабилитроне, одним электродом подключенным к эмиттеру регулирующего транзистора, а другим через ограничительный резистор - к первой клемме стабилизатора, введены три токостабилизирующих двухполюсника, дополнительный резистор и усилитель постоянного тока на транзисторе, тип проводимости которого противоположен типу проводимости регулирующего транзистора, а узел сравнения выполнен на транзисторной паре, база первого транзистора которой подключена к эмиттеру регулирующего транзистора,

эмиттер - к эмиттеру второго транзистора, а коллектор - к точке соединения дополнительного резистора со стабилитроном источника питания узла сравнения, причем транзистор усилителя постоянного тока эмиттером подключен к коллектору первого

5 транзистора узла сравнения, базой - к коллектору второго транзистора узла сравнения, а коллектором - к базе регулирующего транзистора, источник опорного напряжения выполнен на опорном стабилитроне, включенном между второй клеммой стабилизатора и базой второго транзистора узла сравнения, а токостабилизирующие двухполюсники включены соответственно между второй клеммой стабилизатора и эмиттерами транзисторов узла сравнения, между коллектором первого транзистора и базой второго транзистора узла сравнения, а также между эмиттером и базой транзистора усилителя постоянного тока.

На фиг. 1 представлен стабилизатор тока, принципиальная электрическая схема на фиг. 2 - его вольтамперная характеристика.

Стабилизатор тока содержит регулирующий высоковольтный транзистор I, транзистор 2 усилителя постоянного тока, узел 3 сравнения на транзисторной паре, опорный стабилитрон 4, стабилитрон 5 источника питания узла сравнения, измерительный резистор 6, дополнительный резистор 7, токостабилизирующие двухполюсники 8-10, токоограничивающий резистор 11 и защитный стабилитрон 12.

Стабилизато) тока работает следующим образом.

При увеличении напряжения на клеммах стабилизатора ток через резистор 7, стабилитрон 5 и резистор 6 увеличивается, вызывая увеличение падения напряжения на резисторе 6, а также на транзисторной паре 3. Ток коллектора второго транзистора пары уменьшается, поэтому у.меньшается ток через транзистор 2 усилителя тока и регулирующий транзистор 1, причем исходный ток через измерительный резистор 6 восстанавливается с высокой точностью, определяемой больщим усилением контура отрицательной обратной связи. Аналогично стабилизируется ток при уменьшении напряжения стабилизатора. Токостабилизирующие двухполюсники 8-10 предусмотрены для обеспечения оптимального режима работы опорного стабилитрона 4 и узла

3сравнения.

Токи двухполюсйиков 8 и 9, которые вместе с током через резистор 6 образуют суммарный ток стабилизатора (токами баз транзисторной пары можно практически пренебречь), целесообразно выбирать значительно .меньше тока резистора 6, поэтому к стабильности этих токов предъявляются менее жесткие требования. Кроме того, напряжения на этих двухполюсниках относительно стабильны - напряжение на двухполюснике практически равно напряжению стабилитрона 5, а на двухполюснике 9 оно равно разнице напряжения стабилитрона 4 и напряжения база - эмиттер второго транзистора пары 3. Поэтому при менее строгих требованиях к стабильности тока стабилизатора двухполюсники 8 и 9 могут быть резисторами.

Температурная стабильность тока достигается применением транзисторной пары 3 в качестве узла сравнения, а также термокомпенсированного опорного стабилитрона

4и высокостабильного измерительного резистора 6.

Стабилизатор тока представляет собой двухполюсник без дополнительных источников напряжения, поэтому допускается заземление любой точки контура, образованного в произвольной последовательности из источника питания, нагрузки и стабилизатора или стабилизаторов (возможность последовательного включения вытекает из характеристики стабилизатора, фиг. 2). Этим достигается широкая сфера применения г данного стабилизатора.

Ток базы регулирующего транзистора 1, а также токи двухполюсников 8 и 9 обуславливают падение напряжения на резисторе 7 уже при минимальном рабочем напряжении стабилизатора. Поэтому можно без ухудшения стабильности тока и КПД стабилизатора в коллекторную цепь транзистора 1 включить токоограничивающий резистор 11. Его сопротивление выбирается таким, что при минимальном рабочем напря5 жении стабилизатора падеиия напряжения на резисторах 7 и 11 приблизительно одинаковы. Так как сопротивление резистора 11 может оказаться значительно больше сопротивления резистора 6, то в аварийном режиме, заключающемся в открывании ре0 гулирующего транзистора (причиненным, например, пробоем регулирующего транзистора 1, вспомогательного транзистора 2, транзисторной пары 3, обрывом в цепи стабилитронов 4 и 5 и т. д.) при высоких рабочих напряжениях, ток стабилизатора и нагрузки ограничивается резистором на более низком уровне. При этом низковольтные элементы схемы защищаются от перенапряжения стабилитронами 5 и 12. Чтобы защитный стабилитрон 12 не влиял отриQ цательно на нормальную работу стабилизатора, его номинальное напряжение должно быть выше напряжения стабилизатора 4. Выходное дифференциальное сопротивление стабилизатора можно оценить выражением

5 ,5-R,,(1)

где R1 - сопротивление измерительного

резистора 6; Кг- сопротивление дополнительного

резистора 7;

.1)2 - усиление по току транзисторов 1 0и 2 соответственно;

83- крутизна транзисторов пары 3. При этом 5з I/2 T.,(2)

где I, l - стабилизированные токи двух5полюсников 9 и 10 соответственно, I I /2; f -температурный потенциал, при

Т 300 К Ут 26 мВ. Для известного устройства имеем г 0,5-Rt RzSnpnjbi ,(3)

0 где Rj - сопротивление измерительного

резистора; RZ -сопротивление дополнительного

резистора;

S - крутизна регулирующего транзистора;

усиление по току вспомогательного транзистора. Аналогично (2)

S V fT ,(4)

где IE - ток эмиттера регулирующего транзистора

4 IE - I ЕМДКС

В условиях перераспределения тока

между регулирующим транзистором и дополнительным резистором

IEMBH О при и имакс 1Емакс 1 при и ииин,(5)

где и и I - напряжение и ток стабилизатора.

Из (2), (4) и (5) вытекает, что при выборе I (например, Г 0,011) для IB 0,5 I имеем S Sj. Однако учитывая, 15-40, & 100-500, из сравнения (1) и (3) следует: дифференциальное сопротивление предлагаемого стабилизатора значительно превыщает такой параметр известного. При замене транзистора 2 составным транзистором Дарлингтона нетрудно увеличивать .Рг, следовательно, и г предлагаемого стабилизатора ещё 1-2 порядка, в то время, как такая замена вспомогательного транзистора в известном стабилизаторе практически не увеличивает г.

Так как параметры .i и г , а также 5з при фиксированном токе слабо зависят от режима стабилизатора, то дифференциальное сопротивление г предлагаемого стабилизатора мало изменяется при изменении и от UMHH до Uwaisc. В то же время согласно (3), (4) и (5) параметр г известного стабилизатора при высоких рабочих напряжениях значительно уменьшается.

Дифференциальное сопротивление предлагаемого стабилизатора тока значительно превышает такой параметр известного.

Предлагаемый стабилизатор тока позволяет расширить область использования стабилизаторов тока иа высоковольтных транзисторах, увеличивать стабильность

выходного тока таких стабилизаторов. Благодаря реализации в виде двухполюсника, высококачественный стабилизатор тока не требует дополнительных источников питания. Стабилизатор тока позволяет увеличивать надежность и безопасность их работы. Особая форма вольтамперной характеристики разрешает включить такие стабилизаторы тока последовательно, что дает расширение диапазона выходных напряжений.

СТАБИЛИЗАТОР ТОКА, содержащий высоковольтный регулирующий транзистор, коллектор которого соединен с первой, а эмиттер через измерительный резистор - с второй клеммами стабилизатора, узел сравнения, источник опорного напряжения, включенный между одним входом узла сравнения и второй клеммой стабилизатора, источник питания узла сравнения на стабилитроне, одним электродом подключенным к эмиттеру регулирующего транзистора, а другим через ограничительный резистор - к первой клемме стабилизатора, отличающийся тем, что, с целью повыщения стабильности-тока при расщирении области использования, в него введены три токостабилизирующих двухполюсника, дополнительный резистор и усилитель постоянного тока на транзисторе, тип проводимости которого противоположен типу проводимости регулирующего транзистора, а узел сравнения выполнен на транзисторной паре, база первого транзистора которой подключена к эмиттеру регулирующего транзистора, эмиттер - к эмиттеру второго транзистора, а коллектор - к точке соединения дополнительного резистора со стабилитроном источника питания узла сравнения, причем транзистор усилителя постоянного тока эмиттером подключен к коллектору первого транзистора узла сравнения, базой - к коллектору второго транзистора узла сравнения, а коллекс тором - к базе регулирующего транзисто ра, источник опорного напряжения выпол(Л нен на опорном стабилитроне, включенном между второй клеммой стабилизатора и базой второго транзистора узла сравнения, а токостабилизирующие двухполюсники включены соответственно между второй клеммой стабилизатора и эмиттерами транзисторов узла сравнения, между коллектором первого транзистора и базой второго транО1 зистора узла сравнения, а также между эмиттером и базой транзистора усилителя постоянного тока. ( СО О5

мин

Фиг2

имокг и